DE2217213A1

DE2217213A1 - Verbesserung an Kreiselverdichtern

Info

Publication number: DE2217213A1
Application number: DE19722217213
Authority: DE
Inventors: Jean Ville dAvray; Friberg Jean Bourg La Reine; Siestrunck Raymond Ville dAvray; Fabri (Frankreich). P
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-04-13
Filing date: 1972-04-10
Publication date: 1972-11-02
Also published as: NL7204909A; IT954657B; FR2133196A5; LU65083A1; BE781617A; ZA722281B

Description

Patentanwälte
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410-18.6O3P 10. 4. 1972

Commissariat a !'Energie Atomique, Paris

(Frankreich)

Verbesserung an Kreiselverdiehtern

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung an Radialoder Axial-Kreiselverdichtern, insbesondere an Überschallverdichtern.

Ein Kreiselverdichter enthält gewöhnlich, auf dem Läufer angeordnet, ein erstes Laufrad oder "Vorsatz-Laufrad"; vor diesem, d. h. im Sinne der Gasströmung vor diesem, kann solcher Verdichter in gewissen Fällen ein aus festen Leitschaufeln bestehendes Leitrad haben»

Bei bekannten Kreiselverdichtern dieser Art haben die Schaufeln des Leitrades und des Vorsatz-Laufrades veränderliche Krümmung. Aber die Herstellung von Vorsatzlaufrad-Schaufeln veränderlicher Krümmung ist sehr kostspielig;

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denn diese Schaufeln, die ja mit hoher Geschwindigkeit umlaufen sollen, müssen mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden.

Die Erfindung soll diese Nachteile beheben.

Genau gesagt: Die Erfindung betrifft einen Radial- oder Axial-Kreiselverdichter mit festem Eintrittsleitrad und mit auf dem Läufer festem Vorsatz-Laufrad, und ist dadurch gekennzeichnet, daß von der Nabe bis zum Umfang die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades konstante Krümmung und die Schaufeln des Leitrades veränderliche Krümmung haben.

Eine besonders interessante Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die Krümmung jeder Schaufel des Leitrades von der Nabe zum Umfang sich ändert und in einer Zwischenzone sich umkehrt, so daß die Krümmung am Umfang und diejenige an der Nabe einander entgegengesetzten Drehsinn haben.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, in der anhand der beigefügten Zeichnung eine - beispielhafte, aber keineswegs ausschließliche - Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaufel für ein Eintritts-Leitrad für Verdichter erläutert wird.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischem Längsschnitt einen Kreiselverdichter bekannter Art mit einem Vorsatz-Laufrad, aber ohne Leitrad;

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Fig. 1 A, 1 Α·, 1 B, 1 Β· dem Verdichter der Fig. 1 zugehörige Diagramme;

Fig. 2 in schematischem Längsschnitt einen Kreiselverdichter bekannter Art mit Vorsatz-Laufrad und mit Leitrad;

Fig. 2 A, 2 A·, 2 B und 2 B» dem Verdichter der Fig. zugehörige Diagramme, ähnlich den dem Verdichter der Fig. 1 zugehörigen Diagrammen der Fig. 1 A, 1 Α· , 1 B und 1 B«;

Fig. 3 A, 3 B, 3 A¹, 3 B¹ Diagramme, die dem erfindungsgemäßen Kreiselverdichter zugehören;

Fig. 4, 5, 6 und 7 eine erfindungsgemäße Leitschaufel, gesehen auf die Schaufelfläche bzw. im Schnitt an der Nabe bzw. im Schnitt am Umfang bzw. in Profilrichtung.

Bekanntlich erhält man die Relativgeschwindigkeit am Schaufelaustritt des Verdichterlaufrades, z. B. ausgedrückt in Mach-Zahlen, ale die Resultierende aus der absoluten Axialgeschwindigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit der Schaufel.

Bei kleiner Durchsatzmenge des Verdichters ist die relative Schaufelaustrittsgeschwindigkeit klein und ein Leitrad unnötig; aber wenn man größere Durchsatzmengen zu erreichen sucht, vergrößert man gleichzeitig die Axialgeschwindigkeit und den Eintrittsdurchmesser und dadurch die

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Umfangsgeschwindigkeit; daher kann die Mach-Zahl am Schaufelaustritt kritisch werden, und ein Leitrad wird nötig.

Jedenfalls sind die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades am Außenumfang stärker gekrümmt als nahe der Nabe. Man betrachte Fig. 1. weiche in schematischem Längsschnitt den Eintritt des Gehäuses 2 sowie den Läufer 3 mit seiner Nabe k, seinen Vorsatzlaufrad-Schaufeln 5 und seinen eigenen Verdichtungsschaufeln 6 zeigt.

Es sei angenommen, daß dieser Verdichter, gesehen in Richtung des Pfeiles F, der auch die axiale Richtung des Gasstromes anzeigt, entgegen dem Uhrzeigersinn umläuft.

Es seien mit χ und y zwei in der Zeichnungsebene gelegene Punkte eines Vorsatz-Laufrades bezeichnet, von denen der Punkt χ auf der Außenbegrenzung der Schaufel, und zwar im Abstand R von der Laufradachse, und der Punkt y an der Nabe, und zwar in Abstand R¹ von der Achse, liegt; R¹ ist also kleiner als R. Für eine gegebene absolute axiale Geschwindigkeit V ist die Umfangsgeschwindigkeit V bei χ

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offenbar größer als die Umfangsgeschwindigkeit V bei y, und zwar ist das Verhältnis dieser beiden Geschwindigkeiten ungefähr gleich R/R¹; die zugehörigen Mach-Zahlen sind in den beiden Fällen durch die Diagramme 1 A und 1 A¹ gegeben, laut denen die Relativgeschwindigkeit V im Punkt χ größer als die Relativgeschwindigkeit V im Punkt y und der zwischen V und V eingeschlossene Winkel ß (Fig. 1 A) größer

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als der zwischen V und V eingeschlossene Winkel ß¹ ist.

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Diesen Unterschied zeigen Fig. 1 B und Fig. 1 B¹, in denen Schnitte durch die Schaufeln 5 entlang den Linien bb

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bzw. cc darstellt und die Winkel ß und ß' angezeigt sind. Wenn man noch größere Durchsatzmengen erreichen will, benutzt man oft eine herkömmliche, in Fig. 2 dargestellte Lösung, bei der vor dem Vorsatz-Laufrad 5 ein ruhendes Leitrad 7 angeordnet ist; dieses hat eine ruhende Nabe 8 und Schaufeln 9» die an dieser Nabe und am Gehäuse 2 befestigt sind, und lenkt den eintretenden Gasstrom im Drehsinn ab. Auch in diesem Fall sind die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades außen stärker als an der Nabe gekrümmt; daher müssen, damit die Schaufeleintrittswinkel richtig sind, auch die Schaufeln des Leitrades an ihrem Außenumfang stärker als nahe der Nabe gekrümmt sein.

Die Fig. 2 A und 2 A¹ sind Diagramme ähnlich denen der Fig. 1 A und 1 A¹ und beziehen sich auf Schnitte an den Stellen bb und cc; in diesen Fig. 2 A und 2 A' bezeichnen die Vektoren V , V , V die Absolutgeschwindigkeit, die Umfangsgeschwindigkeit und die Relativgeschwindigkeit in einem Punkt der Schnittlinie bb; V , V¹ und V sind die entsprechenden Vektoren für einen Punkt an der Schnittlinie cc. Die Bezugszeichen oC und oC' bezeichnen die Winkel, welche die Leitschaufeln mit der Achse an den Stellen bb und cc bilden.

Die Figo 2 B und 2 B¹ entsprechen den Fig. 1 B, 1 B¹, aber enthalten die Umrisse der Leitschaufeln und die Anzeige der Winkel oC und oC' .

Wie ersichtlich, sind die Vektoren V , V , V im Diagramm der Fig. 2 A langer als die entsprechenden Vektoren des Diagramines in Fig. 1 A.

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Das Diagramm Fig. 2 A¹ lehrt auch, daß die Relativgeschwindigkeit (oder relative Mach-Zahl) V¹ gegen die Nabe hin beträchtlich geringer ist, was zur Folge hat, daß die Maschine hier nicht die ganze mögliche Durchsatzmenge aufnimmt; dies ist ein erster Nachteil dieser bekannten Technik.

Die oben gegebene theoretische Darlegung zeigt auch, daß man die Schaufeln, und zwar sowohl diejenigen des Leitrades als auch die des Vorsatz-Laufrades, in Form sogenannter verwundener Schaufeln, d. h. als Schaufeln mit veränderlicher Krümmung, ausführen muß. Diese Ausführung bietet keine Schwierigkeiten bei den Schaufeln des Leitrades, die ja ortsfest, also nur geringen Kräften ausgesetzt sind und daher aus Blech gebogen oder in Formen gegossen verden können. Aber die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades sind, da sie mit hoher Drehzahl umlaufen, sehr großen Beanspruchungen ausgesetzt und müssen, um ausreichende mechanische festigkeit zu haben, mittels Kopierfräsers in zwei Dimension η aus lern Vollen geschnitten werden, Kopierfräsmaschiner sind sehr teuer, ihre Arbeitsgeschwindigkeit ist sehr ge ing, und daher ist die Herstellung verwundener Schaufeln ;urch spanende Bearbeitung sehr kostspielig.

Die Erfindung soll diese Schwierigkeit be eben.

Die Erfindung betrifft also einen Radial- oder Axial-Kreiselverdichter mit festem Eintrittsleitrad und mit auf dem Läufer festem Vorsatz-Laufrad. Dieser ist ;iemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß von der Nabe bis zum Umfang die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades konstante Krümmung und die Schaufeln des Leitrades veränderliche Krümmung haben.

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Die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades können also auf einer gewöhnlichen Fräsmaschine hergestellt werden; was die verwundenen Schaufeln des festen Leitrades anbetrifft, so können diese durch gewöhnliche Herstellungsverfahren wie ormguß oder Blech-Biegen !hergestellt werden»

Erfindungsziel ist auch, einen Verdichter zu schaffen, der nicht nur die oben genannten Kennzeichen und insbesondere konstante Krümmung der Schaufeln des Vorsatz-Laufrades aufweist, sondern auch sehr hohe Durchsatzmenge liefert»

Zu diesem Zweck erstrebt die Erfindung mittels eines Verdichters dieser Art eine Fördermittel-Stromlinienform, deren Geschwindigkeitsvektoren bei gegebener Fördermittel-Dichte und gegebener Drehzahl an allen Stellen des Vorsatz-Laufrades einander gleichgroßen und hohen Wert haben»

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß das Gesetz der Änderung der Krümmung der Schaufeln des Leitrades von der Nabe zum Umfang so bestimmt ist, daß sich vom Fuß jeder Schaufel zum Umfang hin eine konstante Mach-Zahl ergibt.

Die konstante Krümmung der Schaufeln des Vorsatz-Laufrades ist den kritischsten Umfangsbedingungen angepaßt; diese sind im Diagramm Fig. 3 A durch einen Machzahl-Wert M der Absolutgesrhwindigkeit am Austritt aus dem Leitrad, einen Machzahl-Wort M der Umfangsgeschwindigkeit und einen Machzahl-Wert M der Relativgeschwindigkeit am Eintritt ins Vorsatz-Laufrad angegeben. Man erhält so ein Diagramm 3 A derselben Art wie das Diagramm der Fig. 2 A, das für einen Umfangspunkt gilt, mit einem Winkel oC, der der konstanten Krümmung der Schaufel des Vorsatz-Laufrades entspricht, und

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einem Winkel ß, welcher der Krümmung der Schaufel des Leitrades an einem Umfangspunkt dieser Schaufel entspricht. Die Form der Schaufeln in dieser Schnittfläche ist in Fig. 3 B dargestellt, welche der Fig. 2 B entspricht.

Es wird daher - s. Fig. 3 A¹ - vorgeschlagen, an der Nabe, d. h. an einer Stelle, wo der Machzahl-Wert M¹ der Umfangsgeschwindigkeit viel kleiner als M ist, einen Vektor M¹ zu erzielen, der ungefähr gleichwertig dem Vektor M , also ungefähr gleichlang wie M ist und einen Richtungswinkel hat, der ungefähr gleich dem Winkel ß der Fig. 3 A ist.

Prüfung des Diagrammes der Fig. 3 A' zeigt, daß, um dieses Ergebnis zu erzielen, ohne daß die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades von ihrer Rückseite beaufschlagt werden, man der Schaufel des Leitrades an diesem Punkt eine Krümmung anderer Drehrichtung als derjenigen geben muß, die die Schaufel an ihrem Umfang aufweist; dies ist in Fig. 3 A¹ gezeigt, in welcher der Winkel ⁰^' einen den Winkel aC der Fig. 3 A entgegengesetzten Drehsinn aufweist.

Die Form jeder Schaufel des Leitrades in dieser Schnittfläche, d. h. am Schaufelfuß, mit dem die Schaufel an ihrer Nabe befestigt ist, ist in Fig. 3 B¹ dargestellt.

Wie ersichtlich, kann man auf diese Weise an den beiden Enden jeder Schaufel des Vorsatz-Laufrades Vektoren relativ gleicher Machzahl-Werte erreichen. Die Praxis zeigt, daß die stetige Änderung der Krümmung der Leitschaufel zwischen ihren Endpunkten an allen Punkten des Vorsatz-Laufrades Werte in Richtungen der Relativgeschwindigkeits-Vektoren ergibt, die nur wenig vom Größtwert abweichen.

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Die Erfindung soll auch einen Verdichter schaffen, der sich dadurch auszeichnet, daß die Krümmung jeder Schaufel des Leitrades von der Nabe zum Umfang sich ändert und in einer Zwischenzone sich umkehrt, so daß die Krümmung am Umfang und diejenige an der Nabe einander entgegengesetzten Drehsinn haben.

Die Fig. h, 5» 6 und 7 zeigen eine Schaufel des Leitrades des erfindungsgemäßen Verdichters, und zwar gesehen auf die Schaufelfläche bzw. im Schnitt an der Nabe bzw. im Schnitt am Umfang bzw. in Profilrichtung.

Diese Schaufel weist ein Schaufelblatt aus Stahlblech auf; und dieses hat eine Außenumfangskante 11, die an einem Sockel 12 befestigt ist, der mit einer Befestigungsschraube 13 versehen ist, ferner eine Fußkante 1^, die mit einem Zapfen 15 versehen ist, mittels dessen diese Schaufel in einstellbarem Winkel an der Nabe befestigt werden kann, sowie zwei Seitenkanten 16 und 17· Die Kante 16 ist gerade; die Umfangskante 11 zeigt eine insbesondere in Fig. 6 sichtbare Krümmung; und die Fußkante 14 zeigt eine insbesondere in Fig. 5 sichtbare Krümmung entgegengesetzten Sinnes. Daraus folgt, daß die Kante 17, deren Profil spitz ist, in Profilrichtung die Form einer Kurve zeigt, deren Krümmung veränderlich und am Umfang anderen Sinnes als am Fuße ist.

Diese Kurven zeigen an ihren Enden die oben dargelegten Merkmale; die Kurven der zwischen den Schnitten bb und cc liegenden Schnitte lassen sich nach den Regeln der Kunst ermitteln und bestimmen eine bequem erzielbare Form, welche einen strömungsgerechten Zustrom, d. h. tangential zum Vorsatz-Laufrad, sichert, damit Verluste, die bei Stoß des Strömungsmittels an der Eintrittskante entstehen würden, vermieden werden.

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Claims

Patentansprüche

1.J Radial- oder Axial-Kreiselverdichter mit festem Eintrittsleitrad und mit auf dem Läufer festem Vorsatz-Laufrad, dadurch gekennzeichne t , daß von der Nabe bis zum Umfang die Schaufeln des Vorsatz-Laufrades konstante Krümmung und die Schaufeln des Leitrades veränderliche Krümmung haben.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konstant-gekrümmten Schaufeln des Vorsatz-Laufrades aus dem Vollen gefräst und die veränderlich-;= «krümmten Schaufeln des Leitrades in Formen gegossen o<er aus Blech gebogen sind.

3. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch ^.-kennzeichnet, daß das Gesetz der Änderung der Krümmung der Schaufeln des Leitrades von der Nabe zum Umfang so bestimm ist, daß sich vom Fuß jeder Schaufel zum Umfang hin eine k< istante Mach-Zahl ergibt.

4. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch /,^kennzeichnet, daß die konstante Krümmung der Schaufeln des Vorsatz-Laufrades an die kritischsten Umfangsbedingungen angepaßt ist.

5. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Schaufeln des Leitrades 30 bestimmt ist, daß für gegebene Fördermittel-Dichte und für gegebene Drehzahl die Vektoren der Relativgeschwindigkeit an der

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Nabe und am Umang jeder Schaufel einander gleichgroß, parallel und glei' hen Drehsinnes sind.

6. Verdiel ter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmurg jeder Schaufel des Leitrades von der Nabe zum Umfang siel ändert und in einer Zwischenzone sich umkehrt , so daß xe Krümmung am Umfang und diejenige an der Nabe einander ■ntgegengesetzten Drehsinn haben.

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BAD ORIGINAL

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