DE4331606C1 - Spiralgehäuse für Turbomaschinen - Google Patents

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 D_z.

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 r_z ist dabei meist annähernd konstant und entspricht dem Außenradius r_s 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 r_{A max} die insbesondere zu hohen Baukosten führen, wenn die Spirale bei hohen Drücken von einem zylindrischen Außengehäuse umgeben ist, welches dann, bedingt durch r_{A max}, einen großen Innendurchmesser haben muß.

Zur Verringerung von r_{A max} bei vorgegebenem Außen­ radius des Scheibenringraums r_s 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 r_z mit zunehmendem Spiralquerschnitt nach innen gezogen (r_z < r_s), wobei der Außenradius r_A 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 r_k 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 r_z und konstantem Außenradius r_A 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 D_A = D_G 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 R_G = im weiteren Verlauf der Spirale in zwei Halbkreisflächen senkrecht zur Achse geteilt wird mit dazwischengefügter Rechteckfläche 2R_G·L, wobei diese Rechteckfläche mit zunehmendem Umschlingungswinkel ϕ bei konstanten Halbkreisflächen und konstanter radialer Erstreckung 2 R_G 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 r_z. Der vorge­ schaltete Scheibendiffusor 1 liegt innerhalb der vom Grundkreisradius r_z nach innen begrenzten Spirale 2. Die Spiralquerschnitte nehmen mit zunehmendem Umschlingungswinkel zu und damit auch der Außenradius r_a bis zu einem Wert r_{A max}, nach dessen Erreichen ein Austrittsstutzen 3 bzw. Kegeldiffusor anschließt.

Fig. 2 zeigt eine Spirale nach dem Stand der Technik mit konstantem Außendurchmesser r_A und veränderlichem Grundkreisradius r_z. Der vorgeschaltete Scheibendiffusor 1 hat, abgesehen vom Zungenbereich Z, einen größeren Außenradius r_s als die Innenbegrenzung r_z der Spirale 2. r_k 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 R_max bis zum Außenradius r_{A max} erstrecken. Durch die erfindungsgemäße Weiterentwicklung in Form zweier Halbkreise mit dem Radius R_G als axiale Begrenzung und einem dazwischengefügten Rechteck mit der Fläche 2 R_G · L steigt der Außenradius r_A nicht über r_G 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 D_z, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Zungenbereich I-II anschließende Bereich II-III kreisförmige Spiralquerschnitte hat, bis zum Erreichen des bestimmten Außendurch­ messers D_A = D_G, 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 D_G der Spiralquerschnitt axial beidseitig von je einer Halbkreisfläche mit dem Radius R_G = begrenzt wird und zwischen den Halbkreisflächen eine außen und innen bündig abschließende Rechteckfläche 2R_G·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.