DE2436458A1 - Kreiselverdichter - Google Patents

Description

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International Harvester Company

North Michigan Avenue Chicago, Illinois 60611,. KSA

Kreiselverdicht er

Die Epfindung bezieht; sich auf einen Kreiselverdichter, der mit einem auf einer Welle in einem Gehäuse befestigten, der. einströiBsnden Luft eine tangential© Geschviinditkelt erteilenden Pumpenrad und einem schaufelloaen Leitrad versehen ist·

Schon vor Jahren sind Versuche gemacht worden, das Leitrad eines Zentrifugal- oder Kreiselverdichters so auszubilden» da© bei hohen VePdichtungsdruckverhältnissen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann· Ein leistungsfähiges Leitrad arbeitet durch Abbremsen der hohen Geschwindigkeit des Stromes bei möglichst geringem Verlust an totaler Energie, Obwohl die Leistung eines Leitrades auf viel© Arten beschrieben werden kann, läßt eich erfahrungsgemäß das GütemaÄ aus dem Gewinn an Gesamtdrwek ersehen, also aus dem Verhältnis des sich nach Durchfließen einstellenden Gesamtdruckes zu.dem im Strom vor dem Leitrad herrschenden Geöamtdruek· Der

setzt sieh aus dem statischen Druck und den it zusammen*

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In den meisten Kreiselverdichtern ist ein umlaufbares Pumpenrad vorgesehen, durch welches Energie durch Beschleunigung des vorhandenen Gasstromes zusätzlich aufgebracht wird, der dann in einem stationären Leitrad abgebremst wird, wo ein Druckanstieg erzeugt wird. In den meisten bekannten Anordnungen sind die Schaufeln des stationären Leitrades so angeordnet, daß sie Durchflußwege schaffen, die sich im Bereich der Stromverteilung erstrecken. Da der Gasstrom üblicherweise mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit in das Leitrad eintritt, müssen Mittel vorgesehen werden, durch welche Stoßwellen und Reibungsverluste verhindert oder wenigstens gemildert werden. Deshalb muß jede der für diesen Zweck verwendeten Leitradschaufeln mit einer zum Leitrad hin gerichteten, profilierten Vorderkante versehen werden. Das Profilieren dieser Kanten und die Montage der Schaufeln zueinander und zum Pumpenrad muß mit sehr großer Sorgfalt ausgeführt werden, wenn Verluste vermieden und ein geometrisch ausbalanciertes Leitrad geschaffen werden soll. Die Fertigung des gewünschten Profils set zst überdies eine mit größter Genauigkeit und Sorgfalt durchzuführende Bearbeitung der Schaufeln voraus.

Um solche bei der Herstellung von mit Schaufeln versehenen Leiträdern auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, sind verschiedene Versuche gemacht worden, schaufellose Leiträder zu entwickeln und zu bauen, und verschiedene Ideen sind untersucht worden. Nach einem Vorschlag soll eine schaufellose Raumverteilung bis zu einer Stelle erreicht werden, an der die Geschwindigkeit bis auf eine Machzahl von weniger als 0,9 abgebremst ist. Da für das sehaufellose Leitrad nur die meridionale Machzahl maßgebend ist, treten weder Verstopfungserscheinungen noch Geschwindigkeiten auf, die durch eine tiberschallprofilfläche verursacht sind. Dadurch sind die Eigenschaften des typisch vertikalen

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Druckverlaufes eines mit Schaufeln versehenen überschallleitrades vermieden. Nachteilig ist bei den bestehenden Überschall-Leiträdern, daß ein verhältnismäßig großer Reibflächenbereich frei ist, besonders weil Maschinen mit einem hohen Druckverhältnis gewöhnlich eine kleine spezifische Geschwindigkeit haben. Da der das Pumpenrad verlassende Strom nicht einheitlich ist, verläuft die Grenzfläche gegenüber dem Hauptstrom stark schiefwinklig und ist einem außerordentlich hohen Gegendruckgradienten unterworfen. Daraus ergibt sich eine dreidimensionale Teilung auf das radiale Stromprofil.,

Aufgabe der Erfindung ist es, diese übelstände auszuschalten und das Schaufel- und Leitrad so auszubilden, daß Sekundärströme im wesentlichen vermieden werden und sich die schädliche Reibung dadurch verringert, daß man die Leitradwände unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit umlaufen läßt.

Bei einem Kreiselverdichter der eingangs beschriebenen Ausführung besteht die Lösung für diese Aufgabe gemäß der Erfindung darin, daß das Leitrad aus einer auf der Welle frei drehbar gelagerten, am Außenumfang einseitig mit einer Randfläche versehenen Scheibe und einer ringförmigen Scheibe besteht, die durch mehrere an ihrem Außenrand befestigte Streben mit der Randfläche auf axialem Abstand verbunden ist und -mit dieser eine im Bereich des Pumpenradauslaufes liegende Durchflußöffnung bildet. Durch diese Durchflußöffnung wird ein schaufelloser Durchfluß geschaffen, der stromab zu einem stationären Verteiler führt, der sich in radialem Abstand vom umlaufenden Leitrad befindet und durch den das vom schaufellosen Leitrad abströmende Gas zur Verteilung gesammelt wird.

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Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes schaufelloses Leitrad ist in einem Ausführungsbeispiel auf der Zeichnung dargestellt; diese zeigt

in Fig. 1 einen Längsschnitt dieses Leitrades,

in Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

in Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht·

Der veranschaulichte, allgemein mit 10 bezeichnete Verdichter weist in üblicher Ausführung eine einsige Einflußöffnung auf und eine radiale Ausflußöffnung für die durchfließende Luft, Das Verdichtergehäuse 11 weist innen glatte Flächen auf, längs welcher die einströmende Luft ohne Hemmung und Turbulenz entlangstreichen kann. Mittig im Gehäuse ist eine Welle 12 angeordnet, auf welcher sine ebene, im wesentlichen kreisrunde Scheibe 13 frei drehbar ist» Die Seheibe läuft innen in einer einseitig nach außen abstehende, eine öffnung 15 umschließende ringförmige Lagerhülse Ik aus, die koaxial

sie

zur Scheibe verläuft, so daß/beim Drehen der Scheibe ausbalanciert ist» In der öffnung 15 ist zur drehbaren Lagerung der Scheibe 13 auf der Welle 12 ein beispielsweise luftgekühltes Lager vorgesehen, um den Raibwiderstand möglichst klein zu halten. Am Außenumfang ist die Scheibe 13 mit einer nach innen vorstehenden ringförmigen Randfläche 16 versehen, die in Verbindung mit der Wand der Scheibe 13 eine Ausnehmung 17 bildet.

Auf axialem festen Abstand zu dissai» inneren Randfläche 16 und zu ihr parallel und konzentrisch ist eine ringförmige Scheibe 18 vorgesehen, die über mehrere* an ihrem äußeren Rand befestigte Streben 19 von vorzugsweise gleichem

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möglichst kleinem kreisrunden Querschnitt mit der. Randfläche 16 verbunden ist. Die Scheibe 18 ist innerhalb einer in der Wandinnenfläche des Gehäuses 11 vorgesehenen Ausnehmung 25 in solcher Weise angeordnet, daß sich eine glatte Innenfläche ergibt. Die Scheibe 18 bildet, also mit der durch die -«Streben 19 mit ihr auf Abstand verbundenen inneren Randfläche 16 der Scheibe 13 eine um die Welle umlauf bare Einheit,- die ein innerhalb des Gehäuses 11 drehbares schaufelloses Leitrad 20 darstellt, durch deren öffnung 21 die Luft nach außen strömen kann·

Damit dieses schaufellose Leitrad 20 sich drehen kann, muß die einströmende Luft eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufweisen. Wenn dieses so ausgebildete und angeordnete Leitrad 20 von der einströmenden Luft getroffen wird, dreht es sich unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit. Wegen der relativen Geschwindigkeiten zwischen dem Leitrad 20 und dem Rotor, wovon die Leitradgeschwindigkeit nur einen Bruchteil der Rotorgeschwindigkeit darstellt, werden die zwischen dem Luftstrom und der Leitradwandung auftretenden Scherkräfte stark vermindert. Deshalb ist die Zunahme der Grenzfläche innerhalb des umlaufbaren schaufellosen Leitrades kleiner als bei einem entsprechenden stationären Leitrad, wie sieh auch die Leistung de3 Leitrades hinsichtlich des Reibverhältnisses und.der Durchflußeigenschaften merklich verbessert«

Um der einströmenden Luft eine tangentiale Geschwindigkeit zu erteilen, ist in der Einströmöffnung des Gehäuses Ii in der Mitte des schaufellosen Leitrades 20 ein Verdichterrotor bzw· ein Pumpenrad 22 angeordnet, in dessen Krümmung die einströmende Luft zur öffnung 21 umgelenkt und ihr eine tangential^ Geschwindigkeit in der gleichen

Richtung gegeben wird, in der das schaufellose Leitrad umlaufen soll. Wie Fig. 1 zeigt, iet die rückseitige Fläche dieses Pumpenrades in der von der Scheibe 13 und der Randfläche 16 gebildeten Ausnehmung 17 angeordnet. Die im Pumpenrad 22 auf hohe tangentiale Geschwindigkeit gebrachte Luft gelangt in die öffnung 21 zwischen der Randfläche 16 und der ringförmigen Scheibe 18 und bringt dadurch das Leitrad 20 zum Umlauf.

Die Grenzflächen im Durchfluß und die sich dort ansammelnde Luft bereiten in Verdichtern die größten Schwierigkeiten. Dieses Problem ist in der beschriebenen Ausführung dadurch behoben, daß in der umlaufenden Durchflußöffnung 21 eine Grenzflächenregelung eingebaut ist. Dreht sich diese Durchflußöffnung, erzeugen die durch die Reibfläche 16 und die Scheibe 18 gebildeten umlaufenden Seitenwände des Leitrades eine Grenzschicht, die auf die auf jedes Luftteilchen einwirkende Fliehkraft zurückzuführen ist, denn alle Teilchen haben eine tangentiale Geschwindigkeit, die gleich oder größer als die Umlaufgeschwindigkeit des sich drehenden schaufellosen Leitrades 20 ist.

Falls erwünscht,.kann der umlaufbaren schaufellosen Durchflußöffnung 21 ein mit Schaufeln versehenes stationäres Leitrad 23 für weitere Verdichtung und Druckerhöhung nachgeschaltet sein. Einheitlich mit dem Gehäuse 11 kann ein einen schneckenförmigen Verlauf aufweisender zur Luftsammlung dienender Gehäuseansatz 24 vorgesehen sein, durch den die unter Druck gesetzte Luft zur Verwendungsstelle geleitet wird. Dieser Ansatz schließt an das Gehäuse 11 dicht am schaufellosen Leitrad 20 oder, falls vorhanden, an das mit Schaufeln versehene Leitrad 23 an.

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Zwischen der Vorderkante des mit Schaufeln versehenen Leitrades 23 und dem Gehäuseansatz 24 kann ein merklicher statischer Druckanstieg eintreten, der Anlaß zu einem Grenzflächenproblem sein kann· Wenn dies der Fall ist, kann dies dadurch verhindert werden, daß die Grenzschicht in geeigneter Weise abgesaugt oder abgeblasen wird oder daß die Wände des Leitrades 23 porös ausgebildet werden, wie dies bekannt ist«

Patentansprüche:

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Claims (6)

2 ^f 3 6 4 5 & Patentansprüche

1.) Mit einem auf einer Welle in einem Gehäuse befestigten, der einströmenden Luft eine tangentiale Geschwindigkeit erteilenden Pumpenrad und einem schaufellosen Leitrad versehener Kreiselverdichter, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad aus einer auf der Welle (12) frei drehbar gelagerten, am Außenumfang einseitig mit einer Randfläche (16) versehenen Scheibe (13) und einer ringförmigen Scheibe (18) besteht, die durch mehrere an ihrem Außenrand befestigte Streben (19) mit der Randfläche auf axialem Abstand verbunden ist und mit dieser eine im Bereich des Pumpenradauslaufes liegende Durchflußöffnung (21) bildet.

2. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (11) im Bereich der aus der Durchflußöffnung (21) unter Druck ausströmenden Luft ein Sammelgehäuse (2M) angeordnet ist.

3. Kreiselverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Durchflußöffnung und dem Sammelgehäuse ein stationäres Leitrad (23) angeordnet ist.

4. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der nach innen vorstehenden Randfläche (16) versehene ebene Scheibe (13) eine Ausnehmung (17) aufweist, in der die Rückseite des Pumpenrades (22) angeordnet ist.

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5. Kreiselverdichter nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Scheibe (18) in einer im Gehäuse. (11) vorgesehenen Ausnehmung (25) solcher Tiefe angeordnet ist, daß zwischen deal Pumpenrad (22) und der Durchflußöffnung (21) ein ununterbrochener glatter Durchflußweg entsteht.

6. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (19) einen der ausströmenden Luft einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzenden, gleichbleibenden kreisrunden Querschnitt haben.

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