DE4331606C1 - Spiralgehäuse für Turbomaschinen - Google Patents
Spiralgehäuse für TurbomaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Spiralgehäuse für Turboma
schinen mit asymmetrisch zu den Spiralquerschnitten
angeordnetem, vorgeschaltetem radialen oder halbaxialen
Scheibenringraum eines Scheibendiffusors beim
Kompressor bzw. Eintrittsringraum einer Turbine und
annähernd konstantem Grundkreisdurchmesser Dz.
Aus der US 3.380.711 ist eine Eintrittsspirale einer
Radialturbine mit vorgeschaltetem Separator (s. Fig. 3)
bekannt. Das Spiralgehäuse zeigt dort lediglich eine
Spirale mit konstantem Innen- bzw. Grundkreisradius und
mit konstantem Außenradius bei in axialer Richtung an
gepaßtem Strömungsquerschnitt. Eine Verringerung des
Außenradius mit Übergang auf einen Kreisquerschnitt im
Zungenbereich ist dort nicht zu erkennen.
Bei dem aus ECK, Bruno: Ventilatoren, Springer-Verlag
Berlin, Heidelberg u. a., 5. Aufl., 1992, S. 211, 224,
bekannten Stand der Technik entsprechend Fig. 1 ist die
Spirale mit rechteckigen oder kreisförmigen
Querschnitten ausgebildet und geht bei Erreichen des
Zungenbeginns bei Kompressoren in einen anschließenden
Diffusor über, der meist als Kegeldiffusor ausgeführt
wird. Der Grundkreisradius rz ist dabei meist annähernd
konstant und entspricht dem Außenradius rs des in der
Spirale angeordneten Scheibenringraumes. Im Bereich der
Spiralzunge lassen sich dabei optimale Strömungsver
hältnisse realisieren. Dabei ergeben sich bei kreis
förmigem Querschnitt relativ große Radien rA max die
insbesondere zu hohen Baukosten führen, wenn die
Spirale bei hohen Drücken von einem zylindrischen
Außengehäuse umgeben ist, welches dann, bedingt durch
rA max, einen großen Innendurchmesser haben muß.
Zur Verringerung von rA max bei vorgegebenem Außen
radius des Scheibenringraums rs wird nach dem aus ECK,
Bruno: Ventilatoren, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg
u. a., 5. Aufl., 1992, S. 213, bekannten Stand der
Technik entsprechend Fig. 2 häufig der Grundkreisradius
rz mit zunehmendem Spiralquerschnitt nach innen gezogen
(rz < rs), wobei der Außenradius rA konstant gehalten
wird.
Dabei ergeben sich ungünstige Strömungsverhältnisse in
der Spirale, weil die beim Kompressor bis Ende des
Scheibenringraums mit zunehmendem Radius nach dem
Drallsatz verzögerte Strömung beim anschließenden
Übergang auf kleinere Radien nach dem Drallsatz wieder
beschleunigt werden müßte.
Da jedoch die Mittelpunkte der vom Krümmungsradius rk
der Innenkontur gebildeten Kreise nicht mehr auf der
Laufradachse A liegt und die Krümmung der Innenkontur
oft einen unsteten Verlauf hat, ergeben sich vom Drall
satz abweichende unübersichtliche Strömungsverhält
nisse, auch im Zungenbereich Z.
Bei einer Axialspirale mit konstantem Grundkreisradius
rz und konstantem Außenradius rA am Umfang nach dem aus
ECK, Bruno: Ventilatoren, Springer-Verlag Berlin,
Heidelberg u. a., 5. Aufl., 1992, S. 214, bekannten
Stand der Technik läßt sich entsprechend Fig. 3 zwar
durch Anpassung der axialen Erstreckung L des
Spiralenquerschnittes an den in Umfangsrichtung
zunehmenden Volumenstrom auf einem großen Teil des
Umschlingungswinkels ϕ der Spirale der Drallsatz
realisieren, jedoch ergeben sich im Zungenbereich
unübersichtliche Verhältnisse.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Spiralge
häuse zu schaffen, das die genannten Nachteile des
letztgenannten Standes der Technik vermeidet und das
sich dadurch auszeichnet, daß bei geringem Bauaufwand
ein hoher Strömungswirkungsgrad gewährleistet ist.
Die Lösung der Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch
aufgeführten Merkmale erreicht. In den Unteransprüchen
2-4 werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrich
tung beschrieben.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei
annähernd konstantem Grundkreisdurchmesser im an dem
Zungenbereich I-II in Umfangsrichtung anschließenden
Bereich II-III der Spiralquerschnitt annähernd kreis
förmig ist und nach Erreichen eines bestimmten Außen
durchmessers DA = DG nur noch in axialer Richtung
zunimmt.
Optimale Verhältnisse bezüglich der Ausbildung eines
durch die asymmetrische Einströmung in der Spirale erzeugten
Kanalwirbels liegen vor, wenn die Kreisfläche
mit dem Radius RG = im weiteren Verlauf der
Spirale in zwei Halbkreisflächen senkrecht zur
Achse geteilt wird mit dazwischengefügter Rechteckfläche
2RG·L, wobei diese Rechteckfläche mit zunehmendem
Umschlingungswinkel ϕ bei konstanten Halbkreisflächen
und konstanter radialer Erstreckung
2 RG bezüglich L axial immer größer wird.
Bei der erfindungsgemäßen Spirale mit konstantem Grund
kreisdurchmesser und halbkreisförmiger axialer Begren
zung läßt sich die Strömung an der Zunge optimal ge
stalten. Besonders günstig ist hier, wenn der Anfang
der Spiralenzunge auf der Unterseite und Oberseite
koaxial verläuft und in Umfangsrichtung stetig in die
Tangente an der Einmündungsstelle in den Spiralenstut
zen übergeht.
Eine optimale Druckumsetzung im an den Spiralenteil an
schließenden Diffusor ergibt sich, wenn dieser mit
gerader Achse ausgeführt wird und stetig von dem
Endquerschnitt des Spiralenteils auf einen Kreisquer
schnitt übergeht.
Die hier für einen Kompressor beschriebene Gestaltung
des Spiralgehäuses gilt bei Umkehrung der Durchströ
mungsrichtung auch für das Spiralgehäuse eines
Radialexpanders.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von
schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen im
einzelnen:
Fig. 1 zwei Schnitte durch eine Kreisspirale mit kon
stantem Grundkreisdurchmesser nach dem Stand
der Technik,
Fig. 2 zwei Schnitte durch eine Spirale mit konstantem
Außendurchmesser und nach innen gezogenen Spi
ralquerschnitten nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 zwei Schnitte durch eine Spirale mit am
gesamten Umfang konstanten Außendurchmesser und
Grundkreisdurchmesser und axialer Vergrößerung
der Spiralquerschnitte nach dem Stand der
Technik,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Spirale mit er
findungsgemäßer Entwicklung der Spiralquer
schnitte,
Fig. 5 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Spirale nach Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt durch einen an die Spirale an
schließenden Enddiffusor,
Fig. 7 die Entwicklung der Spiralzunge im
Übergangsbereich zum Enddiffusor im
Querschnitt und
Fig. 8 die Entwicklung der Spiralquerschnitte zwischen
I-I und II-II im Längsschnitt.
Nachstehend werden die o.g. Figuren kurz
beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine Spirale nach dem Stand der Technik
mit konstantem Grundkreisradius rz. Der vorge
schaltete Scheibendiffusor 1 liegt innerhalb
der vom Grundkreisradius rz nach innen
begrenzten Spirale 2. Die Spiralquerschnitte
nehmen mit zunehmendem Umschlingungswinkel
zu und damit auch der Außenradius ra bis zu
einem Wert rA max, nach dessen Erreichen ein Austrittsstutzen
3 bzw. Kegeldiffusor anschließt.
Fig. 2 zeigt eine Spirale nach dem Stand der Technik
mit konstantem Außendurchmesser rA und
veränderlichem Grundkreisradius rz. Der
vorgeschaltete Scheibendiffusor 1 hat,
abgesehen vom Zungenbereich Z, einen größeren
Außenradius rs als die Innenbegrenzung rz der
Spirale 2. rk kennzeichnet den veränderlichen
Krümmungsradius der Innenkontur der Spirale. Am
Übergang zwischen der Spirale 2 und dem
Austrittsstutzen 3 entstehen im Zungenbereich Z
unübersichtliche Strömungsverhältnisse.
Fig. 3 zeigt eine sich axial entwickelnde Spirale nach
dem Stand der Technik, die ebenfalls im Zungen
bereich Z unübersichtliche Strömungsverhält
nisse hat.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Spirale, bei der im
Anschluß an den Scheibendiffusor 1 in den Quer
schnitten I bis III der Spirale 2 eine Entwick
lung wie bei der Spirale nach Fig. 1 erfolgt.
Eine solche Spirale würde sich bis zum Quer
schnitt IV mit Rmax bis zum Außenradius
rA max erstrecken. Durch die erfindungsgemäße
Weiterentwicklung in Form zweier Halbkreise
mit dem Radius RG als axiale Begrenzung und
einem dazwischengefügten Rechteck mit der
Fläche 2 RG · L steigt der Außenradius rA nicht
über rG an.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungs
gemäße Spirale nach Fig. 4, wobei die
verschiedenen Umfangszonen I-II, II-III, III-IV
erkennbar sind.
Fig. 6 zeigt eine Ansicht von C nach Fig. 5 auf den Austritts
stutzen 3, in dem die Ansicht von A den
erfindungsgemäßen Anfangsquerschnitt und die
Ansicht von B den üblichen kreisförmigen End
querschnitt darstellen.
Fig. 7 zeigt im Detail die Zone I-II von Fig. 5 mit
der Spiralzunge 4.
Fig. 8 zeigt im Detail die Entwicklung der Spiralzunge
4 im Radialschnitt, deren Oberkante 5 sich von
der achsparallelen Richtung in Richtung T der
Tangente an die kreisförmige Begrenzung des Austritts
stutzens 3 neigt.
Claims (4)
1. Spiralgehäuse für Turbomaschinen mit asymmetrisch
zu den Spiralquerschnitten angeordnetem, vorge
schaltetem radialen oder halbaxialen Scheibenring
raum eines Scheibendiffusors beim Kompressor
bzw. Eintrittsringraum einer Turbine und annähernd
konstantem Grundkreisdurchmesser Dz,
dadurch gekennzeichnet,
daß der an den Zungenbereich I-II anschließende
Bereich II-III kreisförmige Spiralquerschnitte
hat, bis zum Erreichen des bestimmten Außendurch
messers DA = DG, nach dessen Erreichen die vor
herigen kreisförmigen Spiralquerschnitte quer
schnittsmäßig nur noch in axialer Richtung
zunehmen.
2. Spiralgehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ab Erreichen eines konstanten Außendurch
messers DG der Spiralquerschnitt axial beidseitig
von je einer Halbkreisfläche mit dem Radius RG =
begrenzt wird und zwischen den Halbkreisflächen
eine außen und innen bündig abschließende
Rechteckfläche 2RG·L angeordnet ist.
3. Spiralgehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterseite (b, d) und Oberseite (a, c) der
Spiralzunge (4) am Anfang koaxial verlaufen und
die Oberseite (a, c) unter Verschwenken zur
Achsrichtung stetig in die Tangente an der
Einmündungsstelle in den Austrittsstutzen (3)
übergeht.
4. Spiralgehäuse nach den Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ab der Übergangsstelle der Spirale zum
Austrittsstutzen (3) ein stetiger Übergang auf einen
Kreisquerschnitt erfolgt.
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