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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft einen Lufteinlaß für Kompressoren gemäß dem
Oberbegriff- des Hauptanspruchs.
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Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Lufteinlaß für Kompressoren,
die für Gasturbinen oder dergleichen verwendet werden Figur 1 der Zeichnung, auf
die zur Erläuterung des Standes der Technik bereits hier Bezug genommen werden-soll,
zeigt eine bekannte Ausführung der in Betracht kommenden Art. Ein Lufteinlaß 2 weist
zwei konzentrische innere Oberfächen 4 und 6 auf, die "trompetenförmig" oder abgeflacht-hyperbolisch
angeordnet sind. Die Innenflächen 4 und 6 sind symmetrisch in bezug auf eine Achse
8 des Kompressors und begrenzen einen Einlaßkanal 10. Der Einlaßkanal 10 -umfaßt
einen Abschnitt 12, der s.ich in Radialrichtung erstreckt und am stromaufwärtigen
Ende an einer Offnung 14 beginnt, durch die Luft angesaugt wird. Dem Abschnitt 12
folgt ein gebogener Abschnitt 15 und sodann ein kurzer, axialer Abschnitt 16, der
an seinem stromabwärtigen Ende dem Laufrad 17 des Kompressors gegenüberliegt und
diesem Luft zuführt.
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Da es ständig und insbesondere im Automobilbau oder bei industriellen
Maschinen angestrebt wird, die Abmessungen der einzelnen Maschinenteile zu verringern,
wird der Lufteinlaß von Kompressoren in der erwähnten Weise bogenförmig ausgeführt,
damit die axiale Länge möglichst kurz gehalten werden kann. Es ergibt sich jedoch
dabei eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung am Einlaß des Laufrades 17,
wie die Pfeile A erkennen lassen. Dies beruht darauf, daß die Strömungsrichtung
im gebogenen Abschnitt 15 des Einlaßkanals 10 scharf aus der Radialrichtung in die
Axialrichtung umgelenkt wird, so daß aus strömungstechnischen Gründen die
Geschwindigkeit
an der inneren Kurvenfläche erheblich größer als diejenige an der äußeren Kurvenfläche
des gebogenen Abschnitts 15 ist und ein verhältnismäßig langer gerader Abschnitt
16 benötigt wird, in dem sich die Geschwindigkeitsverteilung wieder im wesentlichen
ausgleicht.
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Die ungleichmäßige Geschwindigkeiterteilung am Einlaß des Kompressor-Laufrades
beeinträchtigt die Leistung des Kompressors, so daß ein herkömmlicher Kompressor
nicht kompakt ausgebildet werden kann, ohne daß die Kompressorleistung abnimmt.
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Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, einen Lufteinlaß für Kompressoren,
insbesondere für Gasturbinen oder dergleichen zu schaffen, der ohne Beeinträchtigung
der Kompressorleistung kompakte Abmessungen des Kompressors erlaubt.
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Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs.
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Der erfindungsgemäße Lufteinlaß umfaßt in einer bevorzugten Ausführungsform
ebenfalls einen gebogenen Einlaßkanal. Die Länge in Axialrichtung des Kompressors
ist sehr gering, so daß die Gesamtlänge so kurz wie möglich gehalten werden kann.
Wenigstens ein Führungsglied ist in dem Einlaßkanal vorgesehen, daß wenigstens zwei
Strömungskanäle in diesem bildet, die eine weitgehend gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung
am stromabwärtigen Ende hervorrufen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Teillängsschnitt durch eine Gasturbine mit einem herkömmlichen
Lufteinlaß;
Fig. 2 ist ein Teillängsschnitt durch eine Gasturbine
mit einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lufteinlasses in Verbindung
mit einem Radial-Kompressor; Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Führungsplatte
zur Verwendung im vor liegenden Zusammenhang; Fig. 4 ist ein Teillängsschnitt durch
eine Gasturbine mit einer zweiten Ausführungsform eines Lufteinlasses; Fig. 5 ist
ein Teillängsschnitt durch den Einlaßbereich eines Axial-Kompressors mit einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Lufteinlasses; Fig. 6 ist ein Teillängsschnitt durch eine
Gasturbine mit Axial-Kompressor und erfindungsgemäßem Lufteinlaß.
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Auf Figur 1 wurde bereits bei der Erläuterung des Standes der Technik
eingegangen.
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Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Lufteinlaß
20 weist zwei konzentrische innere Oberflächen 22 und 24 auf, die wiederum t'trompetenförmig"
oder abgestumpft-hyperbolisch angeordnet sind. Die inneren Oberflächen 22 und 24
sind symmetrisch in bezug auf eine Achse 26 der Gasturbine und bilden einen Einlaßkanal
28. Der Einlaßkanal 28 umfaßt einen im wesentlichen radial angeordneten Abschnitt
30, der von einer stromaufwärtigen Öffnung 32 aus-
geht, durch die
Luft angesaugt wird. An diesen Abschnitt schließt sich ein gebogener Abschnitt 34
an, der in einen verhältnismäßig kurzen axialen Abschnitt 36 übergeht, der seinerseits
stromabwärts vor den Schaufeln 38 eines Laufrades 40 des Kompressors mündet und
diesem Luft zuführt.
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Die beim Betrieb des Kompressors in den Einlaßkanal 28 durch die Öffnung
32 eingeleitete Luft wird durch die Schaufeln 38 des Laufrades 40 angesaugt und
komprimiert. Die komprimierte Luft gelangt durch einen ringförmigen Diffusor 44
in eine Brennkammer 42, in der sie mit Brennstoff gemischt und gezündet wird, so
daß ein heißes, unter hohem Druck stehendes Gas erzeugt wird. Dieses Gas gelangt
über ein Spiralgehäuse 50 und eine Düse 52 in die Schaufeln 46 eines Turbinen-Läufers
48 und expandiert, so daß der Läufer 48 angetrieben wird und über eine Welle 53
den Kompressor-Läufer 40 dreht.
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Ein Führungseinsatz 54 in der Form einer Trompetenmündung oder eines
Hyperboloid-Stumpfes, wie er in Figur 3 gezeigt ist, befindet sich in dem Einlaßkanal
28 in dessen gebogenem Abschnitt 34. Der Führungseinsatz 54 liegt konzentrisch zu
den inneren Oberflächen 22 und 24 und erstreckt sich im wesentlichen parallel zu
diesen vom stromaufwärtigen Ende gegenüber der Öffnung 32 bis zum stromabwärtigen
Ende gegenüber den Kompressor-Schaufeln 38. Der Führungseinsatz 54 liegt im wesentlichen
in der Mitte zwischen den inneren Oberflächen 22 und 24 und bildet zwei Strömungskanäle
56 und 58 mit diesen. Der Führungseinsatz wird an seinem stromabwärtigen Ende durch
eine Anzahl von Stützen 60 festgelegt, die an der inneren Oberfläche 22 befestigt
sind und im wesentlichen in regelmäßigen Umfangsabständen verteilt angeordnet sind.
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Wie. zuvor beschrieben wurde, ergibt sich an der inneren Oberfläche
24 in der Innenkurve eine wesentlich höhere Geschwindigkeit als an der anderen Oberflächen
22, d.h. der Außenkurve
des gebogenen Abschnitts 34, sofern ein
Führungseinsatz 54 nicht vorhanden ist, so daß die Geschwindigkeitsverteilung am
Einlaß des Kompressor-Laufrades 40 erheblich ungleichmäßig ist. Aufgrund der strömungstechnischen
Verhältnisse ist der statische Luftdruck in der Innenkurve des Abschnitts 34 geringer
als an der Außenkurve, so daß die Geschwindigkeit an der Innenkurve höher ist, da
die Geschwindigkeit umgekehrt proportional zu dem statischen Druck ist.
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Durch Verwendung des Führungeinsatzes 54 gemäß Figur 2 entstehen Strömungskanäle
56 und 58, die im wesentlichen die halbe Breite W des Abschnitts 34 einnehmen, so
daß der Stdmungsdruchsatz in jedem Kanal geringer als derjenige in dem gesamten
Abschnitt 34 ist. Daher ist entsprechend den strömungstechnischen Gesetzen die Differens
des statischen Druckes zwischen den Innen- und Außenkurven des Absc.<nitts 34
entsprechend geringer, so daß s-ich eine gleichmäßigere )ruckverteilung in dem gebogenen
Abschnitt 34 ergibt. Daher wirft die Geschwindigkeitsverteilung im wesentlichen
ausgegichen, wie die Pfeile B in Figur 2 andeuten.
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Dies führt zu einer besseren Kompressorleistung.
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In Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Sofern gleiche oder entsprechende Teile vorgesehen sind, werden diese mit den selben
Bezugs ziffern bezeichnet und nicht erneut erläutert.
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In diesem Falle sind zwei Führungseinsätze 64 und 66 vorgesehen, die
wiederum die Form einer Trompetenmündung oder eines Hyperboloid-Stumpfes aufweisen,
wie er in Figur 3 gezeigt ist.
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Diese Führungseinsätze befinden sich wiederum in dem gebogenen Abschnitt
34. Die Führungseinsätze 64 und 66 liegen konzentrisch zu den inneren Oberflächen
22 und 24 und begrenzen drei Strömungskanäle 68,70 und 72 mit im. wesentlichen der
selben Breite zwischen den inneren Oberflächen 22 und 24. Jeder der Führungseinsätze
64 und 66 erstreckt sich im wesentlichen
parallel zu den inneren
Oberflächen 22 und 24 von dem stromaufwärtigen Ende gegenüber der Öffnung 32 zu
dem stromabwärtigen Ende gegenüber den Kompressor-Schaufeln 38.
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Der Führungseinsatz 64 wird am stromabwärtigen Ende durch eine Anzahl
von Stützen 74 abgestützt, die anker inneren Oberfläche 22 befestigt sind und in
gleichmäßigen Umfangsabständen liegen.
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Der Führungseinsatz 66 wird an seinem stromabwärtigen Ende ebenfalls
durch Stützen 76 an dem ersten Führungseinsatz 64 abgestützt.
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Die übrigen Teile entsprechen im wesentlichen der Ausführungsform
gemäß Figur 2.
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Bei dieser Ausführungsform werden die Unterschiede der Strömungsdurchsätze
in den Strämmgskanälen 68,70 und 72 weiter reduziert, so daß sich eine noch gleichmäßigere
Geschwindigkeitsverteilung ergibt, wie die Pfeile C in Figur 4 andeuten.
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Die Anzahl der Führungseinsätze kann weiter erhöht werden, wenn eine
noch bessere Angleichung der Strömungsgeschwindigkeiten angestrebt wird.
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Da sich die Erfindung hauptsächlich mit dem Lufteinlaß eines Kompressors
befaßt, ist sie für Kompressoren aller Art geeignet.
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Beispielsweise zeigt Figur 5 einen Lufteinlaß für einen Axial-Kompressor
mit einer Gasturbine. Auch in Figur 5 werden die selben Bezugsziffern verwendet,
sofern die einzelnen Teile mit denjenigen der Figur 2 übereinstimmen. Im übrigen
wird lediglich der Lufteinlaß als solcher gezeigt.
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Mit 78 und 80 sind umlaufende und feststehende Schaufeln der ersten
Stufe bezeichnet. Weitere Teile sind in Figur 5 nicht gezeigt und können in bekannter
Weise ausgeführt sein.
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Aus den Ausführungen zu Figur 5 geht hervor, daß der ererfindungsgemäße
Lufteinlaß in gleicher Weise vorteilhaft für Radial- und Axial-Kompressoren eingesetzt
werden kann.
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Ein weiteres Beispiel zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 6
gezeigt. Auch hier werden wiederum weitgehend die Bezugsziffern der Figur 2 für
entsprechende Teile verwendet.
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Es handelt sich wiederum um einen Axial-Kompressor.
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Die Erfindung gestattet eine Reihe von Abwandlungen. Beispielsweise
können die Führungseinsätze der ersten und zweiten Ausführungsform unterschiedliche
Formen aufweisen und dadurch eine gleichmäßige Führung der Luft und insbesondere
eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung am stromabwärtigen Ende der Führungseinsätze
bewirken.
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