DE2353650A1

DE2353650A1 - Ueberschall-zentrifugalkompressor mit hoher verdichtung

Info

Publication number: DE2353650A1
Application number: DE19732353650
Authority: DE
Inventors: Jeau Friberg; Jean-Marie Merigoux
Original assignee: Alcatel CIT SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1972-11-06
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1974-05-16
Also published as: US4006997A; JPS49108605A; IT998952B; BE806325A; FR2205949A5; GB1430667A

Description

MG/F/σ '

DIPL.ING. BIETUUS! i

ΪΑΤΕίϊ,'.ίϋϊ,αϊ

S-MÜNCHEN 40

JBIBMAUEII SXXlASSE fi

COMPA(SiIE INDUSTRIELIiE DES TEIECOMMUNIC ATIONS CIT-ALCATEL 12 rue de la Baume, 75008 PARIS, (Frankreich)

SRSCHALL-ZEOTRIFUGALKOMPRESSOR MIT HOHER VERDICHTUNG

Die Erfindung "betrifft Überschall-Zentrifugalkompressoren mit hoher Verdichtung.

Bekanntlich werden seit langem Zentrifugal-Kompres- · soren mit hoher Kompression gebaut, bei denen ein Teil der Umformung der kinetischen Energie in statische Druckenergie dadurch erreicht wird, dass ein Rotor-Diffusor verwendet wird, dessen sich drehende Seitenwände über die Leitschaufel!! hinaus radial verlängert sind. Die Strömung des Mediums zwischen den Rotorenseitenwanden, die sich fast genauso schnell drehen wie das Medium, erlaubt eine hohe Leistung, solange die periphere

409820/0285 _#/#

ORIGINAL *

Geschwindigkeit der leitschaufeln 300 m/see· nicht tiberschreitet. Erreichen die peripheren Rotationsgesehwindig— keiten der Schaufeln Werte von 400 bis 500 m/sec., so nehmen die zentrifugalen Kräfte hohe Werte on, die zu erheblichen Verformungen der beiden Botorenseitenwände führen. Die obere Seitenwand besitzt bei diesem Kompressortyp eine grosse Eintrittsöffnung für Luft oder das zu komprimierende Medium, wahrend die untere Seitenwand keine Öffnung aufweistj bei hohen peripheren Geschwindigkeiten treten sehr unterschiedliche Zentrifugalkräfte in diesen beiden Seitenwänden auf. Wenn die Schaufeln mit den beiden Seitenwänden verbunden sind, so sind sie unter diesen Bedingungen extremen Beanspruchungen ausgesetzt, die zur Zerstörung des Rotors führen können.

Diese Mangel werden bekanntlich dadurch behoben, dass die radial verlaufenden Schaufeln an der unteren Rotorenseitenwand befestigt werden, die auf die Antriebswelle gekeilt ist, während ein oberes feststehendes Gehäuse mit der beweglichen Seitenwand vom Mittelpunkt zur Peripherie hin eine .Ansaugeöffnung und einen Raum umschliesst, der die allgemeine Form eines gekrümmten Kegelstumpfes hat, in dem die beweglichen Schaufeln laufenj die untere kreisförmige und sich drehende Seitenwand wird in radialer Richtung Über das äussere Ende der Schaufeln hinaus verlängert, um mit der Verlängerung des festen Gehäuses einen Raum mit zwei praktisch parallelen Seitenwinden zu bilden, in dem das Medium seine Geschwindigkeit verringert.

4098 20/028 5 ^*

Dank dieses Verz'dgerungsraumes erreicht ein Medium, das die Leitschaufeln mit Geschwindigkeiten von angenähert 1,2 Ms 1,3 Mach verlässt, am Rotorrand nur noch eine Geschwindigkeit von etwas unterhalb von 1,1 Mach, Es ist dann möglich, das Medium auf einen festen Diffusor zu lenken, der von sehr einfacher Konstruktion ist, sobald die Geschwindigkeit des Mediums am Eingang des Diffusors nur noch wenig über der Schallgeschwindigkeit liegt.

Wegen der Verformungen, denen die Schaufeln ebenso wie die Rotorseitenwande aufgrund der Zentrifugalkräfte unter-, worfen sind, ist es ziemlich schwierig, zwischen der beweglichen Seitenwand des Rotors und dem festen Gehäuse nur ein vernachlässigbar geringes Spiel zu lassen. Im bewegten Medium tritt deshalb in unmittelbarer Fähe des an das Spiel angrenzenden Teils der beweglichen Rotorseitenwand eine bestimmte Verringerung der radialen Geschwindigkeit des Mediums auf. Diese leichte Geschwindigkeitsverringerung bewirkt in der ¥erlsngsamungszone des Mediums eine in Richtung und Wert ungünstige Verteilung der Geschwindigkeiten im Ausgangsteil des beweg-.lichen Diffusors, mindestens in dem Bereich des Mediums, der näher am Gehäuse als an der beweglichen Rotorseitenwand ist.

Ziel der Erfindung ist, das Ungleichgewicht in der Geschwindigkeitsverteilung zu beheben, indem bei Kompressoren mit einer einzigen beweglichen Rotorseitenwand einfache Strukturveränderungen vorgenommen werden. Diese Veränderungen sind

40 98.2 0/0-2 &S

in den - Ansprüchen gekennzeichnet und -werden nachfolgend an Hand mehrerer Ausfuhrungsbeispiele mit Hilfe von fünf Figuren · beschrieben»

Die Pig· 1a, 1b und 1c stellen das Geschwindigkeitsdiagramm am Ausgang eines bekannten Rotordiffusors mit einer Rotorseitehwand dar.

Die Pig· 2a, 2b und 2c zeigen das Geschwindigkeitsdiagramm fur den Pail eines erfindungsgemässen Ausfuhrungsbeispiels.

Die Pig· 5, 4 und 5 stellen drei weitere erfindungsgemässe Ausftihrungsbeispiele dar.

Fig. 1a stellt einen axialen Schnitt durch einen bekannten Uberschallzentrifugalkompressor mit einer einzigen Rotorseitenwand 1 dar, die die beweglichen Schaufeln 2 trägt und Uber diese beweglichen Schaufeln hinaus in einen flachen Kranz 3 verlängert wird. Dar Kanal des Mediums wird einerseits durch die bewegliche Seitenwand und andererseits durch das feste Gehäuse begrenzt, dass sich seinerseits ebenfalls tlber die beweglichen Schaufeln hinaus verlängert und mit der Verlängerung 3 der beweglichen Botorseitenwand 1 eine Bremszone bildet,-die auf der einen Seite durch den Hand 5 der beweglichen Schaufel 2 "und auf der anderen Seite durch die Kante 6 des festen Diffusors 7 begrenzt wird. Das Gehäuse findet in 9 und 10 seine Verlängerung.

409S20/Ö285

Der Rand 8 der beweglichen Schaufeln schliesst mit demTeil 4 des Gehäuses^ das ihm gegenüber liegt, ein bestimmtes Spiel ein, das die Tendenz hat₉ entgegen dem durch die Drehung der Schaufel beschleunigten Medium einen Rückstrom zu erzeugen. Daraus ergibt sich, dass die an Punkten wie 11 und 13 gemessenen Geschwindigkeiten verschieden von den in 12 und 14 gemessenen Geschwindigkeiten sind, wie es aus dem Diagramm der Pig· 1b und 1c hervorgeht«

Pig* 1b stellt einen Schnitt oberhalb der beweglichen Rotorenseitenwand 3 durch eine senkrecht zur Rotationsachse stehende Ebene dar, so dass die bewegliche Seitenwand 2 im Sannitt gesehen wird» Im Punkt 11 ist die tangentiale Geschwindig keit VT des Mediums angenähert gleich der llitaahmegeschwindigkeit U der in Rotation befindlichen beweglichen Seitenwand. Der Schlupfkoeffizient

■ VT

S -

U
ist nahe "eins, beispielsweise ungefähr gleich 0,95·

Die Radialgeschwindigkeit hat einen Wert VR. Die resultierende Geschwindigkeit ist daher.der Vektor V1.

An einem Punkt am Rand der beweglichen Rotorseitenwand, beispielsweise am Punkt 13» hat die tangentiale Geschwindigkeit entsprechend dem Gesetz

R χ VT = konstant

abgenommen. R ist daher der Abstand des betrachteten Punktes von der Rotationsachse des Kompressors.

409820/0285 ·/·

Wenn, der Radius I? vergr'dssert wird, nimmt VG? proportional abj andererseits hat auch, die Radialge sehwindigke it des Mediums sich leicht vermindert.

Die resultierende Geschwindigkeit V'1 verläuft praktisch parallel zu V1 und besitzt einen etwas kleineren skalaren Wert«

Am anderen Ende der Schaufel (Fig. 1c), am Punkt 12, ist die tangentiale Geschwindigkeit VT mit einem Schlupf von etwa g = 0,85 geringer«

Ebenso ist die Radialgeschwindigkeit in erheblichem Masse aufgrund des Rückstroms, der. sich infolge des Spiels zwischen der Kante 8 der Schaufel und dem Abschnitt 4 des Gehäuses ergibt, vermindert. Der· Rückstrom hSngt im wesentlichen von diesem Spiel ab.

Am Punkt 14, der dem Punkt ¹3 entspricht, hat die Tangentialgeschwindigkeit im Verhältnis zur Tangentialgeschwindigkeit im Punkte 12 einerseits wegen der Relation VT χ R = konstant und andererseits wegen der Reibung des Mediums mit der festen Wandung abgenommen. Die radiale Geschwindigkeit VR ist ebenfalls wegen der Reibung des Mediums geringer geworden.

Punkte 14 ist der Vektor V¹2 kleiner als der Vektor V2 im Punkte 12. Er ist verschieden von den Geschwindigkeiten V1 und V*1 an den Punkten 11 bzw. 13·

403S2Q/Ö28S

2353850

Daraus ergibt sich eine erhebliche Geschmndigkeitsverminderung in einer senkrecht zur Strömung verlaufenden Richtung, beispielsweise von der beweglichen Seitenwand zum festen Gehäuse hin.

Diese Asymmetrie wirft am Ausgang des Rotors, wenn das Medium auf den Diffusor trifft, Probleme auf.

Bei den verschiedenen Lösungen, die zur Ausgleichung dieser Asymmetrie möglich sind, haben die Erfinder bei der einfachsten die meisten Vorteile festgestellt.

Gegenstand der Erfindung ist also ein Uberschallzentrifugalkompressor hoher Verdichtung, bei dem radiale Schaufeln auf einer kreisförmigen drehbaren Rotorseitenwand befestigt sind, die auf eine Antriebswelle eines solchen Kompressors aufgekeilt ist und Über die Schaufeln hinaus eine Verlängerung aufweist, die als Flachkranz mit einem oberen festen Gehäuse einen Raum begrenzt, in dem das Medium abgebremst wird, dadurch, gekenn- , zeichnet, dass die Entfernung zwischen der Rotationsachse und dem oberen Rand der beweglichen Schaufeln in der Halle des festen Gehäuses grosser ist als in der Wdhe der beweglichen Botorseitenwand.

Wahrend im allgemeinen die Kompressorenbauer die . Austrittskante der beweglichen Schaufeln praktisch, senkrecht zu den Strömungslinien 15 (Fig. 1a) verlaufen lassen, wird also erfindungsgemSss dem Austrittsrand eine solche Form gegeben, dass sein in der !iahe des festen Gehäuses liegendes Ende in

4Ö9S2Ö/Ö28S ·/·

S trömungs richtung gesehen vor der Normalen im Schnittpunkt des Randes mit der mittleren Strömungslinie des Mediums liegt.

An Hand der Pig. 2a ist zu sehen, wie die Mitnahmegeschwindigkeit am Punkt 18 höher ist als am Baikt 16. Es ist ebenfalls zu sehen, dass das Ende 18 des Austrittsrandes vor der Normalen 20 der Mittellinie der Strömung 15 liegt.

Es ergibt sich daraus, dass on den Ptsnkten 16 und 17 das Geschwindigkeitsdiagramm unverändert "bleibt und das Diagramm der Fig, 2b gleich dem Geschwindigkeitsdiagramm der Fig. 1b ist.

Im Gegensatz dazu wird die Mitnahmegeschwindigkeit U^f am Punkt 18 (Fig. 2c) so gewältlt, dass der nachteilige Schlupf, der an diesem Ende der Schaufel entsteht, ausgeglichen wird. Auf diese Weise erhält man eine tangentiale Geschwindigkeit VT, die höher ist als zuvor. Da nun die dem Medium ver-

2
liehene Energie" etwa gü beträgt, gleicht man die Verringerung von g durch eine· Erhöhung von U aus.

Da ausserdem beim Übergang vom Punkt 18 zum Punkt 19 die Hadiusveranderung geringer ist als vorher, bleiben die tangentiale und die radiale Geschwindigkeit am Punkt 19 naher an dem Wert, der bereits im Punkt 18 erhalten wurde. Daraus resultiert ein wesentlich geringerer Unterschied zwischen der Geschwindigkeit V¹I im Punkt 1? und der Geschwindigkeit V¹2 im Punkt 19. Die Strömlingsverhältnisse im Medium werden deutlich günstiger, iuid die Verbesserung der leistung ist nicht zu übersehen.

403820/0285 ./.

Zur Vereinfachung der Konstruktion ist es häufig vorteilhaft, dem Austrittsrand eine praktisch geradlinige Form zu geben_s die gegenüber der Normalen der Strö°mungsrichtung des Mediums geneigt ist, wie es die Figo 3 zeigt, um der Tangentialgeschwindigkeit am Austrittsrand durch lineare Erhöhung der Mitnahmegeschwindigkeit einen konstanten Wert zu verleihen ο

In bestimmten Fällen, je nach Art des vor dem Rotor angebrachten festen Diffusors, ist es bisweilen vorteilhaft _s den Austrittsrand konkav zu krümmen und so die Mitnahmegeschwindigkeit des Mediums am Austrittsrand in nichtlinearer Weise zu erh'dhenj, um besser die durch Reibung des Mediums mit dem festen Gehäuse entstehenden Verluste auszugleichen und vor allem den Teilen des Mediums? die nahe am Spiel zwischen dem Rotor und dem festen Gehäuse fliessen_s eine grSssere Energie zu verleihen, wie es die Fig_e 4 zeigte Es kann auch vorteilhaft sein, den Austrittsrand in der Nähe des festen Gehäuses abzurunden, wie es die Fig_e 5 zeigte ' .

-Patentansprüche-

409820/0205

Claims

PATEFTAFSPBÜCHE

1. ) Uberschallzentrifugalkompressor Ia.o3a.er Verdich— tung_f bei dem radiale Schaufeln auf einer kreisförmigen drehbaren Botorseitenwand befestigt sind,, die auf eine Antriebswelle eines solchen Kompressors aufgekeilt ist und über die Schaufeln hinaus eine Verlängerung aufweist, die als Flachkranz mit einem oberen festen Gehäuse einen Raum begrenzt, in dem das Medium abgebreinst wird, dadurch gekennsei ohne t, dass die Entfernung zwischen der Botationsach.se und dem oberen Rand der beweglichen Schaufeln in der Nahe des festen Gehäuses grosser ist als in der Fähe der beweglichen Botorseitenwand, so dass das Ende (18) äes Austrittsrandes, das in der Nähe des festen Gehäuses liegt, vor der Formalen im Schnittpunkt des Austrittsrandes (5) und der Mittellinie (15) der Strb'mungsrichtung liegt.

2. überschallzentrifugalkompressor gemHss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsrand (5) der Schaufeln praktisch geradlinig verläuft und gegenüber der Formalen (15) der Strömungsrichtung des Mediums geneigt ist.

3« Dberschallzentrifugalkompressor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, dass der Austrittsrand (5'5 konkav gekrümmt ist«

40SS2Ö/Ö28S

4. ütoerschallzentrifugalkompressor gemUss Jnspruch 1j dadurch, gekennzeichnet, dass der Austrittsrand (5) eine allgemeine konkave Kurve bescJbxexbt und in der dem festen Gehäuse am nächsten liegenden Zone in einem Teil ausläuft, das konvex gekrümmt ist.

09820/0285

Leerseife