DE2524710A1 - Radialverdichterstufe - Google Patents

Description

GUTEHOFFNUNGSHÜTTE STERKRADE 2524710

Aktiengesellschaft

PA.LIZ
Dr.Th/Pi.- Oberhausen 11, den 26.5.1975

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Radialverdichterstufe

Gegenstand der Erfindung ist eine Radialverdichterstufe mit feststehendem Vorleitrad und nachgeordnetem laufrad nach Patentanmeldung P 24 14 110.4-15 vom 23.3.1974.

Solche Radialverdichterstufen sind bekannt. Bei Ihnen wird das maximale Schluckvermögen bei vorgegebenem Eintrittsdurchmesser D. dadurch begrenzt, daß bei

max
einer bestimmten Drehzahl η des Laufrades die Meridional-

geschwindigkeitskomponente c, des in die Eintritts-

im

fläche eintretenden Gases so groß ist, daß die für das betreffende Laufschaufelgitter maximal zulässige relative Eintrittsgeschwindigkeit w.. erreicht wird, wobei

ist.

Bei in der Eintrittsfläche konstanter meridionaler Eintrittsgeschwindigkeit C. und unverwundenen Vorleitschaufeln (Oy₁= konst.) treten die höchsten Relativ-

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geschwindigkeiten am Ort der höchsten Eintrittsumfangsgeschwindigkeit ^-^_max = ^D-j_max ^t^{n auf}» während weiter zur Nabe hin die relativen Eintrittsgeschwindigkeiten niedriger sind.

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 Eintrittsmachzahl M. = w^/a, wobei a die Schallgeschwindigkeit bedeutet, ein maximales Schluckvermögen verwirklicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gegebenenfalls verschwenkbaren Vorleitschaufeln so verwunden sind, daß der Abströmwinkel cC von innen nach außen kleiner wird und das Laufrad am Austritt einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigenden Austrittswinkel fö hat, so daß in allen Stromröhren die gleiche spezifische Verdichtungsarbeit Y = #, (^U2^c2u ~ ^U1^c1u^ übertragen wird, wobei W _h der Strömungswirkungsgrad, u^ die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt, Up die Umfangsgeschwindigkeit beim Austritt, c. die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit am Eintritt, c_2u die umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit beim Austritt bedeuten.

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Auf diese Weise wird in den einzelnen Stromröhren am Laufschaufeleintritt ein von inneren zum äußeren Eintrittsdurchmesser zunehmender Gleichdrall erzeugt. Dabei sind unter verwundenen Vorleitradschaufeln solche Schaufeln zu verstehen, bei denen sich die Krümmung jeder Schaufel von der Nabe zur Deckscheibe hin ändert.

Wie bei Axialverdichtern bekannt, läßt sich dadurch eine Zuströmung zum Laufrad nach dem Gesetz r . c ^r = konst. mit >* <1 (z.B. T = -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.

Bei Eadialrädern ohne Vorleitrad sind die relativen Strömungsgeschwindigkeiten im äußeren Durchmesserbereich 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

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rotierenden Laufschaufeln in die Saugöffnung herrühren können. In diesem Fall wird es nicht immer durch ein Vorleitrad gelingen, innen an der Nabe höhere Meridionalgeschwindigkeiten als außen an der Deckscheibe zu erzwingen.

Mit der durch das Vorleitrad verursachten Beeinflussung des radialen Gleichgewichtes wird jedoch auch in solchen Fällen am äußeren Eintrittsdurchmesser eine Verringerung der Meridionalgeschwindigkeit und damit eine niedrigere örtliche Machzahl der Relativströmung bei vorgegebenen Meridionalkanalabmessungen bewirkt.

Beim Radialrad wird durch dieses Verfahren außerdem bewirkt, daß auch die starken Unterschiede in den Verzögerungen Wp/w^ der Strömung auf den deckscheibenseitigen und nabenseitigen Stromfäden einander angeglichen werden.

Nachteilig ist jedoch, daß bei Kombination eines solchen Vorleitrades mit verwundenen Schaufeln ( 00 j = f(D.j) mit einem üblichen Radialverdichterlaufrad mit konstantem Austrittsdrall c_2u . U₂, d.h. über der Austrittsbreite konstantem Austrittswinkel /6 2 in den einzelnen Stromröhren, unterschiedliche spezifische Verdichtungsarbeiten 1/ ¹^ erzeugt werden.

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Wie aus der Formel

Y>, = 2⁷V, · («ο · C₉₁₁ - U₁ . C,„)

^r'1m

^Lh = fh * ^(u2 · ^C2u - ^U1 · ^C1u-

Γ ο_Λ_ c.

ersichtlich ist, würde "bei konstanter Meridionalgeschwindigkeit c_2m über der Austrittsbreite an der Deckscheibe durch kleinere Winkel VO , in Verbindung mit dem größeren D> bei konstantem Laufradaußendurchmesser Dp ^¹^· konstantem Laufradaustrittswinkel β „ eine kleinere spezifische Verdichtungsarbeit auf das strömende Gas übertragen. Um das auszugleichen, müßte sich eine über die Austrittsbreite des Laufrades unterschiedliche Verteilung der Meridionalgeschwindigkeit einstellen, die bei Teillast rasch zur Rückströmung an der Deckscheibe führen kann.

näß der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß das Radialverdichterlaufrad so ausgebildet ist, daß in allen Stromröhren unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Vordralls die gleiche spezifische Verdichtungsarbeit übertragen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß die Vorleitradschaufeln so verwunden sind, daß der Abströmwinkel CC von innen nach außen kleiner wird, und daß das Laufrad am Austritt einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigenden Austrittswiiikel ρ aufweist,

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und die übertragene spezifische Verdiehtungsarbeit ⁼ h ^^U2*^c2u~^u1 * ^C1u^ ^^{n a}^^en Stromröhren gleich

groß ist, wobei W ^ der Strömungswirkungsgrad, u.. die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt, u. die Umfangsgeschwindigkeit beim Austritt, c. die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit am Eintritt, Cp_u die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit beim Austritt bedeuten.

Radialverdichterstufen mit gleichem Austrittswinkel und geneigter Austrittskante sind bekannt (GB-PS 765 908). Bei dieser lösung ist jedoch kein Yorleitrad vor das Laufrad geschaltet, wodurch sich bei der erfindungsgemäßen Lösung vor dem Laufrad eine den ganzen Anströmquerschnitt nutzende maximale Eintrittsgeschwindigkeit ergibt. Die Lösung gemäß GB-PS 765 908 mit geneigter Austrittskante hat den weiteren Nachteil, daß die Einströmung in den Diffusor aufgrund ungleicher Weglänge der Stromlinien gestört wird und dadurch verlustreich abläuft. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Verdichterstufe ist es hingegen möglich, den Abströmquerschnitt als Zylinderfläche auszubilden, wodurch sich günstige Anströmverhältnisse für den nachgeschalteten, auf einer Zylinderfläche anschließenden radialen Diffusor ergeben. Bei den Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln treten bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten, bei denen üblicherweise die Deckscheibe weggelassen wird, bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaufelkrümmung geringere Festigkeitsbeanspruchungen als bei Laufrädern mit geneigter

Austrittskante auf. 6 0 9 8 5 0./0 1 6 3

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Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Radialverdichter im Querschnitt, Figur 2 daraus einen weiteren Schnitt A-A. Dabei bedeuten

I die verwundenen feststehenden, gegebenenfalls verschwenkbaren Vorleitradschaufeln,

II die Laufradschaufeln.

In Figur 1 ist eine äußere (a) und eine innere (i) Stromröhre ge 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 Cj£ .. < οζ** ist.

Figur 3 zeigt einen weiteren Schnitt B-B aus Figur Daraus ist ersichtlich, daß der Schaufelaustrittswinkel /J «ο ^an <*er äußeren Stromröhre größer ausgeführt ist als der Winkel β ~. an der inneren Stromröhre.

Figur 4 zeigt die Unterschiede in den. Geschwindigkeitdreiecken am Laufschaufeleintritt für diese beiden Stromröhren. Dabei bedeuten

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u die Umfangsgeschwindigkeit, c die Absolutgeschwindigkeit, w die Relativgeschwindigkeit,

O^ Winkel der Absolutströmung nach dem Vorleitrad gegen die Umfangsrichtung,

β Winkel der Relativströmung gegen die Umfangsrichtung, bei schaufelkongruenter Strömung gleichbedeutend mit dem Schaufelwinkel .

Index 1 bezieht sich auf den Laufschaufeleintritt,

Index a bezieht sich auf die äußere Stromröhre (siehe Figur 1),

Index i bezieht sich auf die innere Stromröhre (siehe Figur 1).

Infolge des größeren Eintrittsdurchmessers ist die Umfangsgeschwindigkeit u. > u.... Durch den auf der äußeren Stromröhre kleineren Winkel Ob und die außen kleinere Meridionalgeschwindigkeitskomponente C₁- wird die Relativgeschwindigkeit im Innenschnitt w^ annähernd so hoch wie im Außenschnitt w. .

Figur 5 zeigt die Unterschiede in den Geschwindigkeitsdreiecken am Laufschaufelaustritt. Index 2 ist auf den Laufschaufelaustritt bezogen.

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Aus Figur 5 geht hervor, daß der Laufschaufelaustrittwinkel β _2a auf der äußeren Stromröhre größer ausgeführt ist als der Winkel ß „. auf der inneren Stromröhre, wie bereits aus Figur 3 erkennbar ist.

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Claims (1)

1. GUTEHOFHJUNGSHÜTTE STERKRADE 25 2 4710

   Aktiengesellschaft AO

   PA.LIZ Oberhausen 11, den 26. Mai 1975

   Dr.Th/Pi.- 2344(2303)

   Patentanspruch:

   Radialverdichterstufe mit feststehendem Vorleitrad und nachgeordnetem Laufrad, wobei die Vorleitradschaufeln gegebenenfalls verschwenkbar sind, nach Patentanmeldung P 24 14 110.4-15 vom 23.3.1974, dadurch gekennzeichnet,

   .daß dieVorleitradschaufeln so verwunden sind, daß der Abströmwinkel ⁰^ von innen nach außen kleiner wird, und daß das Laufrad am Austritt einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigenden Austrittswinkel P aufweist und die übertragene spezifische Verdichtungsarbeit y\, =(^u2^>c2u"^u1 * ^C1u^ * Vi. in allen Stromröhren gleich groß ist, wobei u^ die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt, U₂ die Umfangsgeschwindigkeit beim Austritt, c. die Umfang skomp one nt e der Absolutgeschwindigkeit am Eintritt, Cg₁₁ die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit beim Austritt, W den Strömungswirkungsgrad bedeuten.

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