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Radialverdichterstufe.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Radialverdichterstufe mit feststehendem
Vorleitrad und nachgeordnetem Laufrad.
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Solche Radialverdichterstufen sind bekannt. Bei Ihnen wird das maximale
Schluckvermögen bei vorgegebenem Eintrittsdurchmesser D1 dadurch begrenzt, daß max
bei einer bestimmten Drehzahl n des Laufrades die Meridionalgescbwindigkeitskomponente
c1m des in d-ie Eintrittsfläche eintretenden Gases so groß ist, daß die für das
betreffende Laufschaufelgitter maximal zulässige relative Eintrittsgeschwindigkeit
w1 erreicht wird, wobei
ist.
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Bei in der Eintrittsfläche konstanter meridionaler Eintrittsgeschwindigkeit
c1m und unverwundenen Vorleitschaufeln (41 = konst.) treten die höchsten Relativgeschwindigkeiten
am Ort dar höchsten Eintrittsumfangsgeschwindigkeit u1max = D1max#n auf, während
weiter
zur Nabe hin die relativen Eintrittsgeschwindigkeiten niedriger sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Radialverdichter
zu schaffen, der unter Verwendung eines feststehenden Leitrades und eines nachgeordneten
Laufrades bei vorgegebener Eintrittsfläche und maximaler Sintrittsmachzahl Mw1 =
w1/a, wobei a die Schallgeschwindigkeit bedeutet, ein maximales Schluckvermögen
verwirklicht.
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Einen solchen Radialverdichter kann man erfindungsgemäß schaffen,
wenn die gegebenenfalls verschwenkbaren Vorleitschaufeln so verwunden sind, daß
der Abströmwinkel α von innen nach außen kleiner wird und das Laufrad am Austritt
einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigenden Außendurchmesser und/oder
Austrittswinkel hat, so daß in allen Stromröhren die gleiche spezifische Verdichtunsarbeit
yth = u2 02u - u1c1u übertragen wird, wobei u1 die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt,
u2 die Umfangsgeschwindigkeit beim Austritt, c1u die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit
am Eintritt, c2u die Ufangskomponente der Absolutgeschwindigkeit bei Austritt bedeuten.
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Auf diese eise wird in den einzelnen Stromröhren am Laufschaufeleintritt
ein von inneren zum äußeren Eintrittsdurchmesser zunehmender Gleichdrall erzeugt.
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Dabei sind unter verwundenen Vorleitradschaufeln solche Schaufeln
zu verstehen, bei denen sich die Krümmung jeder Schaufel von der Nabe zur Deckscheibe
hin ändert.
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Wie bei Axialverdichtern bekannt, läßt sich dadurch eine Zuströmung
zum Laufrad nach dem Gesetz r # cuγ = konst mit γ < 1 (z.B. γ
= 1 "solid body") erzwingen, bei der eine Verringerung der Meridionalkomponente
der Gasgeschwindigkeit am Außendurchmesser und eine Vergrößerung der Meridionalkomponente
am Innendurchmesser auftritt. Dadurch wird erreicht, daß die maximal vorgegebene
relative Eintrittsgeschwindigkeit nicht nur am Außendurchmesser auftritt, sondern
auch die inneren Schaufelpartien voll genutzt werden.
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Bei Radialrädern ohne Vorleitrad sind die relativen Strömungsgeschwindigkeiten
im äußeren Burchmesserbereich des Einlaufes oft nicht nur durch die dort höchsten
Eintritts-Umfangsgeschwindigkeiten sehr hoch, sondern es treten dort auch noch gegenüber
dem Mittelwert überhöhte axiale Meridionalgeschwindigkeiten auf, die durch eine
radiale Zuströmung zum Laufradeintritt oder durch Rückwirkungen von den rotierenden
Laufschaufeln in die Saugöffnung herrühren können. In diesem Pall wird es nicht
immer durch ein Vorleitrad gelingen, innen an der
Nabe höhere Meridionalgeschwindigkeiten
als außen an der Deckscheibe zu erzwingen.
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Mit der durch das Vorleitrad verursachten Beeinflussung d-s radialen
Gleichgewichtes wird jedoch auch in solchen Pällen am äußeren Eineine Verringerung
trittsdurchmesser/der Meridionalgeschwindigkeit und damit eine niedrigere örtliche
Machzahl der Relativströmung bei vorgegebenen Meridionalkanalabmessungen bewirkt.
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Beim Radialrad wird durch dieses Verfahren außerdem bewirkt, daß auch
die starken Unterschiede in den Verzögerungen w2/w1 der Strömung auf den decksoheibenseitigen
und nabenseitigen Stromfäden einander angeglichen werden.
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Nachteilig ist jedoch, daß bei Kombination eines solchen Vorleitrades
mit verwundenen Schaufeln (i1 = f(D1) mit einem üblichen Radialverdichterlaufrad
mit konstantem Austrittadrall 02u u2, d.h. über der Austrittsbreite konstantem Außendurchmesser
D2 und konstantem AustrittswinkelP2 in den einzelnen Stromröhren, unterschiedliche
spezifische Verdichtungsarbe iten yth erzeugt werden.
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Wie aus der Formel @@ @@ yth=u2#c2u-u1#c1u = d2#n (D2#n - ) - D1#n
# tgß2 tgα1 ersichtlich ist, würde bei konstanter Meridionalgeschwindigkeit
02m über der Austrittabreite an der Deckscheibe durch kleinere Winkel α1 in
Verbindung mit dem größeren Di bei konstantem Laufradaußendurchmesser D2 und konstantem
Laufradaustrittwinkel ß2 eine kleinere spezifische Verdichtungsarbeit auf das strömende
Gas übertragen. Um das auszugleichen, stellt sich eine über die Austrittsbreite
des Laufrades unterschiedliche Verteilung der Meridionalgeschwindigkeit ein , die
bei Teillast rasch zur Rückströmung an der Deckscheibe führen kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt,
daß die Austrittskante des Radialverdichterlaufrades genau so ausgebildet ist, daß
in allen Stromröhren unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Vordralls die
gleiche spezifische Verdichtungsarbeit übertragen wird. Dies wird dadurch erreicht,
daß der Außendurchmesser des Laufrades zur Deckscheibe hin größer ausgeführt wird
als an der Radscheibe, wodurch sich hier eine größere Umfangsgeschwindigkeit- u2
ergibt. Eine ähnliche Wirkung kann durch Vzrgrößerung des Schaufelaustrittswinkels
ß2 im Bereich der Deckscheibe erzielt werden.
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Die dadurch über die Laufradbreite unterschiedliche Drallkomponente
kann dabei gegebenenfalls eine entsprechende Anpassung des Diffusors erforderlich
machen.
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Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Radialverdichter im Querschnitt,
Figur 2 daraus einen weiteren Schnitt nach Il-Ile dabei bedeuten I die verwundenen
feststehenden, gegebenenfalls verschwen@baren Vorleitradschaufeln, II die Laufradschaufeln.
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In Figur 1 ist eine äußere (a) und eine innere (i) Stromröhre je durch
eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Aus Figur 2 ist ersichtlich, wie das
Vorleitrad an der äußeren Stromröhre stärker gekrümmt ist als an der inneren Stromröhre,
wodurch CC < oC. ist.
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5 Figur 3 zeigt die Geschwindigkeitsdreiecke am Laufschaufeleintritt
für diese beiden Stromröhren. Dabei bedeuten u die Umfangsgeschwindigkeit, c die
Absolutgeschwindigkeit, w die Relativgeschwindigkeit, « Winkel der Absolutströmung
nach dem Vorleit-.rad gegen die Umfangsrichtung, ß Winkel der Relativströmung am
Laufschaufeleintritt gegen die Umfangsrichtung
Index 1 bezieht sic
auf den Laufschaufeleintritt, Index a bezieht sich auf die äußere Stromrohre (siehe
Figur l), Index i bezieht sich auf die innere Stromröhre (siehe Fig. 1).
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Infolge des größeren Eintrittsdurchmessers ist die Umfangsgeschwindigkeit
u1a > u1i # Durch den auf der äußeren Stromröhre kleineren Winkel α und
die außen kleinere Meridiangeschwindigkeitskomponente c1ma wird die Relativgeschwindigkeit
im Innenschnitt w1i annähernd so hoch wie im Außenschnitt.
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Wegen des größeren Gleichdralls am Eintritt ist, wie in Figur 1 dargestellt,
der Laufradaußendurchmesser an der äußeren Stromröhre größer ausgeführt.
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-Figur 4 zeigt die dadurch bedingten Unterschiede in den Geschwindigkeitsdreiecken
am Laufradaustritt, dabei bezieht sich Index 2 auf den Laufschaufelaustritt-.
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Die Verwindung des Vorleitrades kann bei kleinen Nabendurchmessern
DN so stark sein, daß innen α i 90° wird (Gegendrall).