DE3148756A1

DE3148756A1 - Ueberschallringduese

Info

Publication number: DE3148756A1
Application number: DE19813148756
Authority: DE
Inventors: Dusan Dr.-Ing. 8000 München Nendl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-09
Filing date: 1981-12-09
Publication date: 1983-07-21

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine überschallringdüse mit einem ringförmigen Spalt.
Das Problem der Druckrückgewinnung bei Strömungsmaschinen mit sehr hohen, insbesondere überschallströmungsgeschwindigkeiten, ist noch lange nicht zufriedenstellend gelöst.
Auch die Verwendung von Lavaldüsen führten nicht zu befriedigenden Ergebnissen.
Der Erfinder hat nun erkannt, daß der Grund dafür vornehmlich darin liegt, daß die Strömung innerhalb der Strömungsmaschinen hauptsächlich in ringförmigen und nicht in rohrförmigen Kanälen - wie bei einer Lavaldüse herkömmlicher Art - strömt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das oben erwähnte Problem der Druckrückgewinnung bei überschallringdüsen mit möglichst einfachen Mitteln zu lösen.
Diese Aufgabe wird für den Fachmann in überraschend einfacher Weise erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meridianschnitte der überschallringdüse mit einem ringförmigen Spalt die Form einer ebenen Lavaldüse mit mindestens einer Einschnürung haben.
Die Einschnürungen können durch entsprechende Gestaltung der einen oder beider die Ringdüse begrenzenden Wandungen erhalten werden, wobei zur optimalen Anpassung an unterschiedliche Strömungsverhältnisse die Weite des ringförmigen Spalts durch entsprechende Verschiebung der die Ringdüse begrenzenden Wände veränderbar ist.
Nach geometrischen Gesichtspunkten kann man zwei Extremformen der erfindungsgemäßen überschallringdüse unterscheiden: 1. Die Ausbildung der Düse als radiale Ringdüse, die von einer radialen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist. Die meridiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit verläuft senkrecht zur Ringdüsenachse.
2. Die Ausbildung der Düse als axiale Ringdüse, die von einer radialen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist. Die meridiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit verläuft parallel zur Ringdüsenachse.
Zwischen diesen beiden Extremformen liegt eine 3. als schräge Ringdüse ausgebildete Düse, die von einer schrägen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist.
Die meridiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit verläuft also schräg zur Ringdüsenachse.
Der wesentliche Unterschied zwischen der Strömung in einer Lavaldüse und der erfindungsgemäß ausgebildeten überschallringdüse liegt darin, daß die Strömung in letzterer nicht eindimensional, sondern zweidimensional ist; d.h. neben der radialen (bei radialer Ringdüse) bzw.
axialen (bei axialer Ringdüse) oder allgemein meridialen (bei schräger Ringdüse) Geschwindigkeitskomponente kann bei der erfindungsgemäßen Ringdüse auch eine Umfangskomponente vorhanden sein. Diese Umfangskomponente ergibt im Vergleich mit einer Lavaldüse einen zusätzlichen Energieanteil. Deswegen kann eine überschallringdüse nicht wie eine herkömmliche Lavaldüse berechnet werden.
Vorzugsweise ordnet man mehrere radiale und schräge Uberschallringdüsen einfach nebeneinander, axiale überschallringdüsen ineinander an. Konstruktiv wird dies durch entsprechend geformte ringartige Trennelemente erreicht (Fig. 3 und 5). Diese Trennelemente können zugleich für die Kühlung des Fördermediums benutzt werden, wobei sie zu diesem Zweck z.B. mit entsprechenden Durchflußkanälen (Bohrungen) für die Kühlflüssigkeit versehen sind.
Von ganz wesentlicher Bedeutung ist die Veränderung der Querschnittsflächen bzw. der Spaltweite der Düse. Bei der radialen und schrägen Ringdüse wird dies durch einfache Abstandsänderung durch Verschieben der die Düse begrenzenden Wände oder der Trennelemente erreicht.
Es wird diesbezüglich auf Figur 1 mit einer in Richtung des Pfeiles W1 axial verschiebbaren Begrenzungswand 1; (die gegenüberliegende Begrenzungswand 2 ist ortsfest angeordnet), Figur 3 (mit einem in Richtung des Pfeiles T3 axial verschiebbarem ringförmigen Trennelement 3), Figur 5 (mit zwei in Richtung der Pfeile W4,W5 axial verschiebbaren Begrenzungswänden 4, 5) und Fig. 7, 8 (mit axial in Richtung der Pfeile W6 und W8 verschiebbaren Begrenzungswänden, während die jeweils gegenüberliegenden Begrenzungswände 7 bzw. 9 ortsfest angeordnet sind). Auch in Figur 6 ist das ringförmige Trennelement 9 in Richtung des Pfeiles Tg hin- und herverschiebbar.
Bei einer axialen überschallringdüse soll vorzugsweise jedes zweite Trennelement staffelungsartig infaxialer Richtung verschoben werden können (Fig. 3, 6 und 13).
Diese einfache Querschnittsänderung kann auch für die Regelung der Durchflußmenge verwendet werden.
Ziel der Erfindung ist es also, dem Konstrukteur von Strömungsmaschinen, die mit Überschallströmungsgeschwindigkeiten arbeiten, eine einfache Konstruktionsmaßnahme zu vermitteln, die eine einwandfreie und verlustarme Druckrückgewinnung ermöglicht.
Die Fig. 9 und 10 zeigen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Uberschallringdüse. Ist die meridiale Komponente der Strömungsgeschwindigkeit beim Einlauf kleiner als die Schallgeschwindigkeit (Meridiale Mach-Zahl M < 1), so wird die Strömung allmählich und angenähert m0 isentropisch beschleunigt, bis sie in dem engsten Durchflußquerschnitt F1 der ersten Einschnürung die meridiale Mach-Zahl M = 1 erreicht.
m Nach dem engsten Querschnitt F1 wird die Strömung zunächst beschleunigt, danach aber wieder verzögert bis zu dem engsten Querschnitt F2 der zweiten Einschnürung. Ob sie wieder auf Mm = 1 absinkt, hängt von dem Durchflußquerschnitt und von der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit ab (Umfangs-Mach-Zahl Mu < 1).
Im Unterschied zur herkömmlichen Lavaldüse ist die Gesamtkonfiguration der Strömung in der erfindungsgemäßen Ringdüse nicht nur vom Durchflußquerschnitt, sondern auch von der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Die Strömungs-Mach-Zahl M ist gegeben durch M2 = M2 + M2. Das Vorhandensein von M verursacht im allm u u gemeinen eine Verengung der Ringdüse gegenüber einer Strömung mit Mu = O, d.h. im Unterschallbereich mit M < 1 wirkt sie nach außen beschleunigend, im Überschallbereich M > 1 dagegen verzögernd.
Die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit nimmt nach dem Drallsatz bei reibungsfreier Strömung umgekehrt proportional der Entfernung von der Ringdüsenachse ab; durch die Reibung wird diese Abnahme noch verstärkt. Die radiale Geschwindigkeitskomponente hat darauf keinen Einfluß. Diese Abnahme der Umfangskomponente bzw. von Mu hat zur Folge, daß ihr Verengungseinfluß nach außen immer schwächer wird. Relativ betrachtet bewirkt die erwähnte Abnahme von M eine scheinbare Erweiterung der u Ringdüse von innen nach außen. Ist z.B. F2 = F1 und Mu < M , so wird die meridiale Mach-Zahl nicht auf Mm = 1 2 u1 absinken, sondern immer etwas größer bleiben (Mm2 > 1).
Nach F2 wird die Strömung in meridialer Richtung wieder beschleunigt, bis sie den Außenradius der Ringdüse erreicht. Die Kurve zu in Fig. 10 zeigt diesen Verlauf von Mm längs der radialen Ausdehnung der Ringdüse.
Ist der Außendruck am Außenquerschnitt F2 der Ringdüse größer als der dazugehörige Strömungsdruck, so entsteht hinter der ersten Einschnürung ein Verdichtungsstoß.
Aufgrund der Rotationssymmetrie der Strömung kann der Verdichtungsstoß nur durch die Strömungskomponente in der Meridianebene (gleich ob radial, schräg oder axial) entstehen (ein Ringstoß). Nach dem Ringstoß RS1 ist Mm < 1 und die Strömung erreicht bei F2 wieder Mm = 1.
Die Kurve 9 in Fig. 10 zeigt den Verlauf von Mm mit einem Ringstoß RS1. Ist der Außendruck Pa am Außenquerschnitt Fa der Ringdüse noch immer größer als der dazugehörige Strömungsdruck, so entsteht hinter der zweiten Einschnürung auch ein Ringstoß RS2. Den Verlauf von Mm mit dem zweiten Ringstoß RS2 zeigt die Kurve Werden mehrere Einschnürungen hintereinandergeschaltet wie in Fig. 11, so entstehen aufeinanderfolgende Ringstöße RS1 usw. (vgl. auch Fig. 12). Man kann also durch mehrere hintereinandergeschaltete Einschnürungen (F1, F2, F3 usw.) erreichen, daß ein starker Ringstoß durch mehrere schwächere Ringstöße (RS1, RS2, RS3 usw.) ersetzt wird. Die Druckrückgewinnung kann dadurch mit einem minimalen Entropieverlust optimalisiert werden.
Wird diemeridiale Strömungskomponente beim Einlauf größer als die Strömungsgeschwindigkeit (Mm > 1), so wird sie durch die Einschnürung mit einem oder mehreren Verdichtungsstößen auf Unterschall verzögert. In diesem Falle kann man den Verlauf der Einschnürung in an sich bekannter Weise dadurch optimieren, daß die meridiale Überschallgeschwindigkeitskomponente durch mehrere schräge Verdichtungsstöße mit einem minimalen Entropieverlust verzögert wird.
Von weiterer Bedeutung ist bei der vorliegenden Erfindung somit die strömungstechnische Erscheinung, daß die Verdichtungsstöße auf einer ringförmigen Fläche um die Ringdüsenachse stattfinden. Diese Ringstöße treten unabhängig von einer überschallbeschaufelung des Leitrades auf, da die Querschnitte der Ringdüse veränderlich sein können, bei beliebiger Durchflußmenge. Gerade diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen überschallringdüse ermöglicht in allen rotationssymmetrischen Strömungsmaschinen einen ablösungsfreien Druckrückgewinn mit einem hohen Wirkungsgrad. Bei einem konventionellen radialen überschalldiffusor dagegen können Ringstöße nur bei der maximalen Sperrdurchflußmenge auftreten.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Ringdüse in den radialen und axialen Überschallverdichtern verspricht eine überdurchschnittliche Verbesserung des Wirkungsgrades und durch die Vergrößerung der Energiedichte auch eine Verkleinerung dieser Strömungsmaschinen.
Um die durch die Umfangskomponente verursachte zusätzliche Reibung zu verkleinern, kann man die überschallringdüse erfindungsgemäß einfach in derselben Drehrichtung rotieren lassen. Diese erfindungsgemäße Weiterbildung hat sich als ganz besonders vorteilhaft herausgestellt.
Bei einer rotierenden Überschallringdüse kann durch zweckmäßige Beschaufelung Energie zugeführt werden; bei einer stehenden Uberschallringdüse verursacht eine Beschaufelung nur eine Dralländerung.
In beiden Fällen ist eine beschaufelte Überschallringdüse von einem normalen Laufrad bzw. Leitrad grundsätzlich zu unterscheiden, denn der Charakter der Überschallringdüse bleibt dabei vollends erhalten. Die Verdichtungsstöße entstehen durch die erfindungsgemäß ausgebildete überschallringdüse und nicht durch die Beschaufelung. Entstünden sie durch die Beschaufelung, so könnten die Vorteile der überschallringdüse dadurch verlorengehen.
Es ist sehr zweckmäßig,wenn man die in den Fig. 1 bzw. 3 dargestellten überschallringdüsen mit einer Ringdüse nach Fig. 5 bzw. 6 miteinander kombiniert (Fig. 13).
Nachstehend wird im einzelnen angegeben, was die bereits erwähnten Figuren 1 bis 13 zeigen, nämlich Fig. 1 einen Meridianschnitt einer radialen Überschallringdüse mit einer Einschnürung für Mm < 1.
Die Begrenzungswände sind mit den Bezugsziffern 1 und 2 gekennzeichnet. Die eine Begrenzungswand 1 ist axial in Richtung des Pfeiles W1 verschiebbar. Auf diese Weise ist der Spalt der Ringdüse veränderbar.
Fig. 2 die Zerlegung des Geschwindigkeitsvektors "c" in die meridiale "cm" (hier radiale) und die Umfangskomponente ''cu'' einer radialen Ringdüse.
Fig. 3 einen Meridianschnitt von zwei ineinander angeordneten axialen Ringdüsen mit einer Einschnürung und einem in Richtung des Pfeiles T3 verschiebbaren mittleren Trennelement 3 für M < 1.
m Fig. 4 die Umfangskomponente ''cu'' des Geschwindigkeitsvektors einer axialen Ringdüse.
Fig. 5 einen Meridianschnitt zweier nebeneinander angeordneter radialer Ringdüsen für Mm > 1.
Die seitlichen Begrenzungswände sind mit den Bezugsziffern 4 und 5 gekennzeichnet. Das mittlere Trennelement ist mit der Bezugsziffer 15 versehen. Die seitlichen Begrenzungswände 4, 5 sind in Richtung der Pfeile W4, W5 verschiebbar.
Auf diese Weise ist der Spalt zwischen den Trennwänden 4, 5 einerseits und dem mittleren Trennelement 5 andererseits veränderbar.
Fig. 6 einen Meridianschnitt entsprechend Fig. 3, jedoch für M > 1. Das Trennelement ist dort mit der m Bezugsiffer 9 versehen und in Richtung des Pfeiles T9 hin- und herverschiebbar.
Fig. 7 einen Meridianschnitt einer schrägen Ringdüse mit einer Einschnürung für M < 1. Die seitlichen Begrenzungswände dieser schrägen Ringdüse sind mit den Bezugsziffern 6 und 7 gekennzeichnet, wobei die Begrenzungswand 6 in Richtung des Pfeiles W6 hin- und herverschiebbar ist. Auf diese Weise ist ebenfalls wieder die Spaltweite veränderbar.
Fig. 8 einen Meridianschnitt entsprechend Fig. 7 für Mm > 1, wobei die Begrenzungswände der Ringdüse mit den Bezugs ziffern 8 und 9 gekennzeichnet sind. Die Begrenzungswand 8 ist in Richtung des Pfeiles W8 hin- und herverschiebbar.
Fig. 9 einen Meridianschnitt einer radialen Ringdüse mit zwei Einschnürungen, die durch entsprechende Gestaltung der einen Begrenzungswand 16 gebildet sind. Die gegenüberliegende Begrenzungswand 17 ist glatt bzw. eben ausgebildet. F1 und F2 kennzeichnen die Durchflußquerschnitte der beiden Einschnürungen, RS1 und RS2 die Ringstöße.
Fig. 10 den Verlauf von Mm längs der radialen Ausdehnung der Ringdüse nach Fig. 9. Die Kurve s gibt den Verlauf von Mm ohne Ringstöße wieder; die Kurve 9 den mit einem Ringstoß RS1; und die Kurve 9 den mit zwei Ringstößen RS1 und RS2.
Fig. 11 einen Meridianschnitt einer radialen Ringdüse mit mehreren hintereinander angeordneten Einschnürungen F1, F2, F3, F4 usw.
Die entsprechenden Ringstöße sind mit RS1 usw.
gekennzeichnet.
Fig. 12 den Verlauf von Mm längs der radialen Ausdehnung der Ringdüse nach Fig. 11 mit hintereinander gebildeten Ringstößen RS1, RS2, RS3, RS4 usw.
Fig. 13 einen Meridianschnitt einer axialen Ringdüse entsprechend Fig. 3 kombiniert mit einer axialen Ringdüse nach Fig. 6.
Die erfindungsgemäße Überschallringdüse läßt sich vortrefflich mit einem Radialverdichter kombinieren.
Die heute an hochwertige Verdichter gestellten Anforderungen machen es notwendig, den Betrieb mit Überschallgeschwindigkeiten besondere Beachtung zu schenken. So tendiert die Entwicklung von Radialverdichtern zu hohen Druckverhältnissen, was eine Anwendung und Ausnutzung von Überschallstufen und sehr hohen Drehzahlen verlangt. Bei schnelldrehenden Verdichtern erreicht die aus dem Laufrad austretende Strömung eine Mach-Zahl von der Größe 1,2 bis 1,3 mit einer starken Drallkomponente. Es sind deshalb Strömungswinkel von 700 bis 800, gemessen von der radialen Richtung, zu erwarten. Daraus folgt, daß die Rückgewinnung der kinetischen Energie der Strömung in die Druckenergie das größte Problem bei Überschallverdichtern darstellt und einen genauen Entwurf der Leitschaufeln und der Kanäle im Diffusor verlangt, um die Totalverluste zu verkleinern.
Der Erfinder hat sich daher weiter zum Ziel gesetzt, die bestehenden Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten bei der Druckrückgewinnung zu überwinden und neue Wege für die Entwicklung dieser Strömungsmaschinen zu eröffnen.
Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die beschriebene erfindungsgemäße radiale und/oder schräge und/oder axiale Überschallringdüse mit einem Radialverdichter zu kombinieren.
Zum Unterschied von Anwendungen bei Uberschallverdichtern, die die Druckrückgewinnung durch Verdichtungsstöße im Leitkanal zu erreichen versuchen - was mit einem schlechten Wirkungsgrad verbunden ist -, findet bei der erfindungsgemäßen Überschallringdüse der Ringstoß in der Umfangsrichtung gleichmäßigüber die gesamte Ringdüse verteiltstatt. Dies hat eine beruhigende Wirkung auf die in der Umfangsrichtung sonst stark ungleichmäßige Strömung.
Außerdem kann man mit einer optimalen Formgebung der Ringdüse erreichen, daß die meridiale Überschallgeschwindigkeitskomponente statt mit einem einzigen Ringstoß durch mehrere Ringstöße mit einem Minimum an Entropieverlust auf die meridionale Unterschallgeschwindigkeitskomponente verzögert wird.
Diese Ringstöße treten unabhängig von einer Überschallbeschaufelung des Diffusors auf, und, da die Querschnitte der Ringdüse veränderlich sein können, auch bei beliebigen Durchflußmengen. Bei einem konventionellen radialen aber schalldiffusor dagegen können Ringstöße nur bei der maximalen Sperrdurchflußmenge auftreten.
Die beschriebene erfindungsgemäße radiale Überschallringdüse kann auf verschiedene Weise mit einem Radialverdichter kombiniert werden. Sie kann z.B. ganz außerhalb der Laufradbeschaufelung liegen, jedoch fest mit der Beschaufelung verbunden sein (Fig. 14 und 15). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß eine oder beide Ringdüsenwände rotieren und axial verschiebbar sind, um die Ringspaltweite zu ändern (Fig. 16). Konstruktiv einfacher ist allerdings, wenn der axial verschiebbare Teil nicht rotierend ausgebildet ist, wie aus den Fig. 17 und 18 erkennbar ist. Durch die axiale Verschiebung der Ringdüsenwände kann der Durchflußquerschnitt natürlich entsprechend verkleinert oder vergrößert werden. Da in mindestens einer Einschnürung höchstens die Schallgeschwindigkeit erreicht wird, dient dadurch der axial verschiebbare Teil als Drosselorgan.
Sehr zweckmäßig ist die Ausführung mit drei Einschnürungen bei der radialen Überschallringdüse, und zwar derart, daß die erste Einschnürung (in den Fig. 14 bis 21 mit 'tA...A" gekennzeichnet) außerhalb der Beschaufelung, jedoch mit dem Laufrad fest verbunden bleibt, während bei den weiteren zwei Einschnürungen (in den Fig. 14-21 mit "B...B" und "C...C" gekennzeichnet) mindestens eine Ringdüsenwand zu Drosselzwecken verschiebbar ist. Die Strömung wird in der ersten Einschnürung leicht beschleunigt und gleichzeitig in der Umfangsrichtung vergleichmäßigt bzw. beruhigt (vgl. z.B. Fig. 19).
Alle erwähnten Möglichkeiten können auch bei einer schrägen überschallringdüse der oben beschriebenen Art angewandt werden (vgl. Fig. 20).
Bei hoher Zuflußgeschwindigkeit kann es zweckmäßig sein, diese durch einen Ringstoß zu verkleinern. Vorzugsweise erfolgt dies durch das Vorschalten einer axialen Uberschallringdüse entsprechend Fig. 21. Diese axiale Überschallringdüse ist z.B. entsprechend Fig. 3 oder 6 ausgebildet.
In den Fig. 14 bis 21 ist der Radialverdichter jeweils mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet.
Die Fig. 14 bis 21 sind ferner jeweils Meridianschnitte durch einen Radialverdichter, der mit einer radialen und in Fig. 21 zusätzlich einer axialen Überschallringdüse kombiniert ist.
Weiterhin ist sehr zweckmäßig, die erfindungsgemäße überschallringdüse mit einem Axialverdichter zu kombinieren.
Die Entwicklung der heutigen Axialverdichter tendiert zu einer Erhöhung der Leistungskonzentration, d.h. einer Verkleinerung des Bauvolumens bei gleicher Leistung.
Dies versucht man durch zwei Maßnahmen zu erreichen: 1. Durch die Steigerung der Mach-Zahl der Beschaufelung von Unterschall-auf-Transschall- und überschallgeschwindigkeiten. Dadurch wird das Druckverhältnis je Verdichterstufe gesteigert und damit die Stufenzahl bei gleichem Gesamtdruckverhältnis verringert.
2. Durch die Erhöhung der axialen Mach-Zahl, weil dadurch gleichzeitig die Stirnfläche des Verdichters bei ähnlichen geometrischen Abmessungen verkleinert wird.
Die Erhöhung der axialen Mach-Zahl vergrößert aber auch die Probleme der Druckrückgewinnung, d.h. die Lösung der technisch sinnvollen Verzögerung von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeiten.
Der Erfinder hat sich daher weiterhin das Ziel gesetzt, die bestehenden Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten bei der Druckrückgewinnung in Axialverdichtern zu überwinden und neue Wege für die Entwicklung derartiger Strömungsmaschinen zu eröffnen.
Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die beschriebene erfindungsgemäße Überschallringdüse mit einem Axialverdichter zu kombinieren, und zwar vorzugsweise die erfindungsgemäße axiale Überschallringdüse.
Obwohl ein Axialverdichter ringförmige Querschnitte besitzt und in ihm die Strömung auch auf Uberschallgeschwindigkeiten beschleunigt wird, wurde er bisher nie als überschallringdüse gemäß vorliegender Erfindung aufgefaßt und erkannt. Dies ist daraus klar zu erkennen, weil bei heutigen Überschallverdichtern die Druckrückgewinnung durch Verdichtungsstöße ausschließlich innerhalb der Beschaufelung stattfindet. Die Verdichtungsstöße rufen aber auf den Schaufeln Grenzschicht- und Strömungsablösungen mit starkem Wirkungsgradabfall und mechanischen Beanspruchungen hervor. Verschiedene Vorschläge, wie z.B. Tandem-Gitter, versprechen zwar eine gewisse Verbesserung, haben sich aber in der Praxis nicht bewährt.
Zum Unterschied zur Druckrückgewinnung mit Hilfe der Verdichtungsstöße innerhalb der Beschaufelung findet bei einer axialen überschallringdüse gemäß Erfindung ein Verdichtungsstoß im wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse statt, wobei die Lage des Verdichtungsstoßes von der Beschaufelung vollkommen unabhängig ist. Zweckmäßigerweise findet der Verdichtungsstoß also außerhalb der Beschaufelung statt.
Außerdem kann man mit einer optimalen Formgebung der Ringdüse erreichen, daß die axiale Uberschallgeschwindigkeitskomponente statt mit einem einzigen Ringstoß durch mehrere Ringstöße mit einem Minimum an Entropieverlust auf die axiale Unterschallgeschwindigkeitskomponente verzögert wird.
Die erfindungsgemäße Überschallringdüse kann auf verschiedene Weise mit dem Axialverdichter kombiniert werden, wobei der ganze Strömungskanal als Ringdüse aufgefaßt sein soll. Zum Zwecke der Durchflußsteuerung empfiehlt sich, eine mindestens zweikanalige Ringdüse zu verwenden mit mindestens einem axial verschiebbaren Trennelement. Da beim Bereich der Einschnürungen höchstens die Schallgeschwi.1igkeit erreicht werden kann, dient ein axial verschiebbares Trennelement zur Veränderung der Querschnittsfläche und wirkt damit als Drosselorgan.
Die erfindungsgemäße axiale Überschallringdüse kann gemäß Fig. 22 vor dem Laufrad La, gemäß Fig. 23 zwischen dem Laufrad La und Leitrad Le oder Fig. 24 hinter dem Leitrad Le des Axialverdichters 19 angeordnet sein.
Eine Sonderstellung bedeutet ihr Einbau in das Lauf-oder Leitrad (Fig. 25); sie empfiehlt sich für eine sehr gedrungene Bauweise.
Wird das Leitrad Le axial verschiebbar ausgeführt, so kann es zugleich als Haltevorrichtung für das Trennelement verwendet werden entsprechend den Fig. 25 und 26, in denen das mit dem Leitrad Le verbundene Trennelement mit den Bezugsziffern 20 versehen ist. Die Axialverschiebung erfolgt jeweils in Richtung der Pfeile T20.
Die oben erwähnten Einbaumöglichkeiten können in einem Axialverdichter in verschiedenen Kombinationen gleichzeitig angewandt werden. Ein Beispiel dafür zeigt Fig. 25 mit der ersten Einschnürung vor dem Laufrad La und der zweiten zwischen Laufrad'La und dem Leitrad Le. In der ersten Einschnürung vor dem Laufrad La ist ebenfalls ein axial verschiebbares Trennelement 21 vorgesehen. Die Axialverschiebung erfolgt in Richtung des Doppelpfeils T21.
Eine besonders gedrungene Bauweise zeigt Fig. 27 mit einem hochbelasteten Laufrad La und einer dahinter angeordneten erfindungsgemäß ausgebildeten axialen Überschallringdüse.
Ein Leitrad ist nicht vorgesehen. Der Drall wird durch ein anschließendes Spiralgehäuse 22 abgefangen.
In den Fig. 22 bis 26 sind die Axialverdichter nur mit hochbelastetem Laufrad La und dahinter angeordnetem Leitrad Le dargestellt. Sinngemäß können die abgebildeten Kombinationen mit Laufrad und Leitrad in Fig. 22, 23, 24 und auch 27 (Ausführungsform ohne Leitrad) auch mit Niederdruck (ND)-und Hochdruck (HD)-Stufen eines mehrstufigen Verdichters angewandt werden.
In den Fig. 22 bis 27 sind die Axialverdichter mit axialen Ringdüsen jeweils mit Meridianschnitt dargestellt, wobei die Verdichteranordnung jeweils mit der Bezugsziffer 19 gekennzeichnet ist.
In Fig. 27 ist das in Richtung des Doppelpfeiles T23 axial verschiebbare Trennelement mit der Bezugsziffer 23 versehen.
In den Fig. 22 bis 24 sind die Trennelemente mit den Bezugsziffern 24, 25 bzw. 26 gekennzeichnet, die jeweils in Richtung der Doppelpfeile T24, T25 bzw. T26 axial verschiebbar sind.
Ebenso wie in den Fig. 1 bis 21 zeigen auch die Fig. 22 bis 27 nur eine Hälfte des Meridianschnitts, da diese zur Veranschaulichung der Erfindung genügt.
Sämtliche in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Claims

Überschallringdüse Patentansprüche überschallringdüse mit einem ringförmigen Spalt, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Meridianschnitte die Form einer ebene Lavaldüse mit mindestens einer Einschnürung haben.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des ringförmigen Spalts veränderbar ist.
3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als radiale Ringdüse ausgebildet ist, die von einer radialen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist.
4. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als axiale Ringdüse ausgebildet ist, die von einer axialen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist.
5. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als schräge Ringdüse ausgebildet ist, die von einer schrägen Strömung mit oder ohne Umfangskomponente von innen nach außen oder umgekehrt durchströmbar ist.
6. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Trennelemente in mehrere nebeneinander oder ineinander angeordnete Düsen auf geteilt ist.
7. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Spaltweite mindestens eine der die Düse begrenzenden Wandungen und gegebenenfalls Trennelemente verschiebbar angeordnet sind.
8. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine in sie eintretende Unterschallströmung in meridianer Ebene auf eine überschallströmung beschleunigbar und anschließend durch Ringstoß verzögerbar ist.
9. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömung mit überschallmeridiankomponente in meridianer Richtung unmittelbar durch Ringstöße auf eine Strömung mit Unterschallmeridiankomponente verzögerbar ist.
10. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine ihrer Begrenzungswände und gegebenenfalls die Trennelemente drehbar gelagert sind, so daß sie eine Rotationsbewegung ausführen können.
11. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Umfangskomponente der Strömung eine Beschaufelung vorgesehen ist.
12. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse gemäß Anspruch 8 mit einer Düse gemäß Anspruch 9 kombiniert ist.
13. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Radialverdichter kombiniert ist.
14. Düse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit dem Laufrad des Radialverdichters fest verbunden ist, und zwar derart, daß eine, zwei oder mehr Einschnürungen außerhalb der Beschaufelung des Radialverdichters vorhanden sind (Figur 14, 15).
15. Düse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Begrenzungswände mit dem Laufrad des Radialverdichters fest verbunden ist, während die andere Begrenzungswand axial verschiebbar und gegebenenfalls noch drehbar gelagert ist, so daß sie eine axiale und gegebenenfalls eine Rotationsbewegung ausführen kann (Fig. 16).
16. Düse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Begrenzungswände axial verschiebbar gelagert jedoch nicht drehbar sind, so daß sie eine axiale Bewegung ausführen können (Fig. 17, 18).
17. Düse nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einschnürung außerhalb der Beschaufelung des Radialverdichters jedoch mit dem Laufrad fest angeordnet ist, während die weiteren Ein- schnürungen drehfest, aber hinsichtlich ihrer Spaltweite veränderbar ausgebildet sind (Figur 19).
18. Düse nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Radialverdichter kombiniert ist (Figur 20).
19. Düse nach einem der Ansprüche 1, 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Radialverdichter und einer Düse gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17 kombiniert ist (Figur 21).
20. Düse nach einem der Ansprüche 1, 4 und 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Axialverdichter kombiniert ist.
21. Düse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Laufrad des Axialverdichters eine, zwei oder zwei Einschnürungen mit oder ohne Trennelementen vorgesehen sind (Figur 22).
22. Düse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine, zwei oder mehr Einschnürungen mit oder ohne Trennelementen zwischen Laufrad und Leitrad des Axialverdichters vorgesehen sind (Figur 23).
23. Düse nach Anspruch 20 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Trennelement vorgesehen ist, das mit axial verschiebbaren Leitschaufeln des Axialverdichters fest verbunden ist (Figur 25).
24. Düse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine, zwei oder mehr Einschnürungen mit oder ohne Trennelementen hinter dem Leitrad des Axialverdichters vorgesehen sind (Figur 24, 26).
25. Düse nach Anspruch 20 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Trennelement mit axial verschiebbaren Leitschaufeln des Axialverdichters verbunden ist (Figur 26).
26. Düse nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine, zwei oder mehr Einschnürungen mit oder ohne Trennelementen hinter dem Laufrad eines ohne Leitrad versehenen Axialverdichters vorgesehen sind (Fig. 27).
27. Düse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennelemente mittels geeigneter technischer Maßnahmen zur Kühlung des Strömungsmediums benutzt werden.