HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gebiet des Maschinenbaus
und kann in Verdichtern des Wirbelstromtyps verwendet werden.
2. Beschreibung des Stands der Technik
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Es ist ein Wirbelstromverdichter bekannt, der ein Gehäuse mit
einem ringförmigen Arbeitskanal, der einen Ansaug- und einen
Austrittskanal aufweist, eine Absperrvorrichtung, die zwischen
den Kanälen in dem Arbeitskanal angeordnet ist, und ein Laufrad
umfaßt, das im Gehäuse gelagert ist, wobei eine Scheibe des
Laufrades einen Ring aufweist, auf dem sich die Schaufeln
befinden, und wobei die Absperrvorrichtung eine Öffnung zur
Gasabfuhr aufweist (DE, A, 2409184).
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Bei dieser Ausführung wird Gas, das in dem Zwischenschaufelraum
der Beschaufelung enthalten ist und beim Verdichtungsprozeß
erhitzt wurde, teilweise durch die Öffnung aus der
Absperrvorrichtung abgegeben. Dies sorgt für eine Verringerung einer
unerwünschten Beförderung von heißem Gas von einer Ansaugseite
des Verdichters zu einer Austrittsseite und steigert den
Wirkungsgrad der Maschine. Das Gas wird aus der Absperrvorrichtung
zurück zum Arbeitskanal durch die genannte Öffnung entlang
einer speziellen Leitung zu einer Zone mit einem mittleren
Druck abgeführt. Obwohl diese Konstruktion eine schädliche
Wirkung von Ballastgas verringert, ist sie ungenügend, da heißes
Gas unter mittlerem Druck aus dem Zwischenschaufelraum an der
Ansaugseite des Verdichters der Beschaufelung erscheint.
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Ferner ist ein Wirbelstromverdichter bekannt, der ein Gehäuse,
in das ein ringförmiger Arbeitskanal, ein Ansaug- und ein
Austrittskanal geformt sind, die mit dem ringförmigen Kanal
verbunden sind, eine Absperrvorrichtung, die zwischen den Ansaug-
und Austrittskanälen angeordnet ist, und ein Laufrad umfaßt,
das im Gehäuse gelagert ist, wobei auf einer Scheibe des
Laufrades ein Schaufelring angebracht ist, der sich im ringförmigen
Arbeitskanal befindet, und wobei das Gehäuse und die
Absperrvorrichtung Öffnungen von gebogener Form aufweisen, die
miteinander in Verbindung stehen und gleichweit von der Beschaufelung
entfernt sind (SU, A, 328265).
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Bei dieser Ausführung wird ein heißes Ballastgas aus dem
Zwischenschaufelraum fast vollständig in Umgebungsluft abgegeben
und aus dem Verdichtungsprozeß in dem Verdichter
ausgeschlossen. Diese Ausführung schafft eine Blaswirkung, wenn dank einer
besonderen gebogenen Form und Anordnung der Öffnung das heiße
Gas im Zwischenschaufelraum durch kaltes Gas, das aus der
Atmosphäre eintritt, ersetzt wird. Solch ein Blasen gewährleistet
eine wesentliche Steigerung des Maschinenwirkungsgrads, eine
Verringerung der Gastemperatur auf der Ansaugseite wegen
fehlender Auffüllung durch ein heißes Ballastgas, einen Anstieg
des Verdichtungsgrades in diesem Stadium und eine Verbesserung
des Massenausstoßes. Bei dieser Ausführung hängt das Ausmaß des
Blasens im wesentlichen von der Größe der gebogenen Öffnung ab.
Einerseits führt die Verringerung der Länge der gebogenen
Öffnung zu einem mangelhaften Blasen mit allen sich daraus
ergebenden Folgen. Andererseits kann, obwohl die Vergrößerung der
Länge der gebogenen Öffnung das Blasen verstärkt, dies nur
durch Vergrößerung eines von der Absperrvorrichtung
eingenommenen Teils des ringförmigen Kanals erreicht werden, da der
Bogen innerhalb der Grenzen dieses Teils angeordnet ist. Dies
führt zu einer Verkleinerung des übrigen Teils des
Arbeitskanals, in dem die Verdichtung als solche erfolgt, wodurch der
Wirkungsgrad des Verdichters verringert wird. Daher wird der
Wirkungsgrad von dieser Ausführung durch das Blasen begrenzt.
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US-A-3 095 820 beschreibt eine mehrstufige Rotationsfluidpumpe,
die der technischen Lösung des oben erwähnten Patents Nr. 328
265 des UdSSR-Autors ähnelt. Kanal 25 in Fig. 3 dieser
Entgegenhaltung wird ausschließlich zur Abfuhr heißen Gases aus dem
Schaufelraum des Laufrades 13 verwendet. Durch die Winkellage
von Einlaßkanal 22 und Kanal 25 wird der Schaufelraum des
Laufrades 13 durchblasen, bevor die Ansaugung beginnt; diese
Ausführung besitzt dieselben Nachteile wie die durch das oben
erwähnte Patent des Autors beschriebene Lösung.
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EP-A-0 011
983 beschreibt eine selbstansaugende rotodynamische
Maschine mit einem drehscheibenähnlichen Laufrad, das einen
seiner Peripherie benachbarten Teil aufweist, der sich durch
ein eine ringförmige Kammer bildendes Maschinengehäuse
erstreckt, das mit dem Laufrad konzentrisch ist, wodurch die
Kammer in zwei ringförmige Seitenkanäle geteilt wird, einen auf
jeder Seite des Laufrades. Bei einer solchen Ausführung wird
die schädliche Wirkung von heißem Gas durch Entlastungskanäle
28 verringert, die in den Gehäusewänden vorgesehen sind; in
diesem Fall bleibt heißes Gas in der Maschine und wird
lediglich in andere Bereiche der Kammer 13 abgeleitet.
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DE-C-90 20 74 beschreibt einen dynamischen Verdichter, bei dem
der Seitenkanal koaxial zum Laufrad ist. Während des Betriebs
wird das verdichtete Gas oder der verdichtete Dampf in dem
Schaufelraum, das bzw. der die Absperrvorrichtung passiert,
durch den Kanal p zum Ansaugraum des Verdichters geleitet;
insbesondere kann dieser Kanal p zusammen mit dem Zuleitungsrohr
einen Ejektor bilden; heißes Gas aus dem Kanal p wird mit
kaltem eingesaugtem Gas gemischt, ohne heißes Gas aus dem Kanal d
zu verdrängen.
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GB-A-2 068 461 beschreibt eine selbstansaugende Turbomaschine,
die mit einem oder mehreren Ventilationskanälen in einem
Abstreifer versehen ist, der den Einlaßkanal und Austrittkanal
des ringförmigen Kanals trennt, in dem die Flügel oder
Schaufeln ihres Rotors umlaufen. Verdichtetes Gas aus dem
Schaufelraum des Laufrades in dem Absperrbereich wird durch Kanäle zum
Ansaugraum abgeleitet und bildet so durch Auslösen einer
Strahlwirkung beim Ansaugen eine Strömung.
WESEN DER ERFINDUNG
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Wirbelstromverdichter zu schaffen, der zwei dynamische Gasblasprozesse
kombiniert, nämlich eine Entfernung von heißem Gas aus einer
Absperrvorrichtung und ein Ansaugen, und hierdurch die Bildung
einer Strömung am Eingang des Wirbelstromverdichters zu
verstärken und eine wirksame Verdichtungszone in einem
ringförmi
gen Arbeitskanal zu vergrößern und somit den Wirkungsgrad des
Wirbelstromverdichters zu steigern.
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Dieses Ziel wird durch die Bereitstellung eines
Wirbelstromverdichters nach Anspruch 1 erreicht.
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Wahlweise kann ein Wirbelstromverdichter an der Vorderwand der
Absperrvorrichtung, an der Seite der Schaufeln, mit einer
Einbuchtung versehen sein, die zur Öffnung der Absperrvorrichtung
offen ist.
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Wahlweise kann ein Wirbelstromverdichter mit einer Einlage aus
geräuschisolierendem Material versehen sein, das an einer Wand
des ringförmigen Arbeitskanals gegenüber der Öffnung des
Ansaugkanals und den Schaufeln angebracht ist.
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Wahlweise kann ein Wirbelstromverdichter mit einem Leitblech
versehen sein, das im ringförmigen Arbeitskanal am Ende der
Gehäuseöffnung radial angeordnet ist, um Gas über die
Gehäuseöffnung zu entfernen.
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Die offenbarten Vorteile und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher aus der weiteren Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen erfolgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des
Wirbelstromverdichters,
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Fig. 2 ist eine Schnittansicht auf der Linie A-A von Fig. 1,
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht auf der Linie B-B von Fig. 2,
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht auf der Linie C-C von Fig. 2.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, umfaßt ein
Wirbelstromverdichter ein Gehäuse 1, in dem ein ringförmiger Arbeitskanal
ausgebildet ist. Mit dem ringförmigen Arbeitskanal sind ein
Ansaugkanal 2 und ein Austrittskanal 3 verbunden. Zwischen dem
Ansaugkanal 2 und dem Austrittskanal 3 ist eine
Absperrvorrichtung 4 angeordnet. In dem Gehäuse 1 ist ein Laufrad gelagert,
und auf seiner Scheibe 5 ist ein Schaufelring 6 vorgesehen, der
im ringförmigen Arbeitskanal angeordnet ist. In dem Gehäuse 1
und der Absperrvorrichtung 4 sind Öffnungen 7 bzw. 8 zum Blasen
durch die Absperrvorrichtung 4 vorgesehen. Eine Öffnung 7 im
Gehäuse 1 und Öffnung 8 in der Absperrvorrichtung a stehen
miteinander in Verbindung, haben eine gebogene Form und sind
gleichweit vom Schaufelring 6 entfernt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Einlaß- und
Austrittskanten der Schaufeln des Ringes 6 konzentrisch am Ende
der Seitenfläche der Scheibe S bzw. auf dem geringeren
Durchmesser "d" und dem größeren Durchmesser "D" angeordnet. Der
Ansaugkanal 2 ist als eine Öffnung mit gebogener Form geformt,
abstandsgleich zur Beschaufelung 6 und an der Seite der
Einlaßkanten der Schaufeln angeordnet, d. h. an der Innenseite bezogen
auf den Kreis mit einem Durchmesser "d". Die Öffnung 7 im
Gehäuse 1 und Öffnung 8 in der Absperrvorrichtung 4 sind an der
Seite der Austrittskanten der Schaufeln angeordnet, d. h. an der
Außenseite bezogen auf den Kreis mit einem Durchmesser "D". Die
Öffnung 7 im Gehäuse 1, die Öffnung des Ansaugkanals 2 und die
Absperrvorrichtung 4 sind in drei Sektoren J1, J2 bzw. J3
angeordnet (Fig. 1), in einer Ebene normal zu einer Drehachse der
Scheibe 5. Der Sektor J2 des Ansaugkanals 2 ist dem Sektor J3
der Absperrvorrichtung 4 benachbart. Der Teil des Sektors J3
der Absperrvorrichtung 4 überschneidet sich mit dem Sektor J1
der Öffnung 7 im Gehäuse 1, und die Öffnung 8 in der
Absperrvorrichtung 4 befindet sich in einem Teil des Sektors J1 der
Öffnung 7 im Gehäuse 1 zusammen mit dem Sektor J3 der
Absperrvorrichtung 4.
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Anders ausgedrückt: Der Sektor J1 überlappt einen gemeinsamen
Randbereich der zwei benachbarten Sektoren J2 und J3.
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In der Vorderwand der Absperrvorrichtung 4 (Fig. 3), an der
Seite der Schaufeln, kann eine Einbuchtung 9 vorgesehen sein,
die zur Öffnung 8 in der Absperrvorrichtung 4 offen ist. (In
Fig. 2 ist ein Profil der Absperrvorrichtung 4, das von der
Öffnung 8 der Absperrvorrichtung 4 und der Einbuchtung 9 der
Absperrvorrichtung 4 eingenommen wird, durch eine
strichpunktierte Linie angezeigt).
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Ein Wirbelstromverdichter, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, kann
mit einer Einlage 10 aus schallschluckendem Material versehen
sein, das an einer Wand des ringförmigen Arbeitskanals
gegenüber der Öffnung des Ansaugkanals 2 und den Schaufeln befestigt
ist.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, kann ein Wirbelstromverdichter mit
einem Leitblech 11 versehen sein, das im ringförmigen
Arbeitskanal am Ende der Öffnung 7 im Gehäuse 1 radial angeordnet ist,
um Gas über die Öffnung 7 zu entfernen.
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Bei Betrieb des Wirbelstromverdichters (Fig. 1 und 2), wenn
sich die Scheibe 5 des Laufrades dreht, gelangt durch den
Ansaugkanal 2 Gas zum ringförmigen Arbeitskanal des Gehäuses 1.
In dem ringförmigen Arbeitskanal übertragen die Schaufeln des
Ringes 6 in dem Prozess einer spiralförmigen Wirbelbewegung
einer Strömung Energie auf das Gas. Das komprimierte Gas wird
durch den Austrittskanal 3 aus dem ringförmigen Arbeitskanal
entfernt. Ein Teil des Gases in dem Zwischenschaufelraum der
Beschaufelung 6, das bis zum Ausströmdruck komprimiert ist,
wird von den Schaufeln zur Absperrvorrichtung 4 befördert. In
der Absperrvorrichtung 4 wird das heiße Gas, nachdem es den
Teil des Sektors J3 erreicht hat, der dem Sektor J2 benachbart
ist und sich durch die Öffnung 8 in der Absperrvorrichtung 4 in
die Öffnung 7 im Gehäuse 1 öffnet, infolge einer Druckdifferenz
und Zentrifugalkräften aus dem Zwischenschaufelraum der
Beschaufelung 6 über die Öffnung 7 im Gehäuse 1 nach draußen
befördert und wird aus dem Zwischenschaufelraum in die Atmosphäre
ausgestoßen. In dem Teil des Sektors J2, der dem Sektor J3
benachbart und zur Öffnung 7 offen ist, erfolgt ein Durchblasen
des Zwischenschaufelraums der Beschaufelung 6; die Schaufeln
erfassen mit ihren Einlaßkanten ein frisches kaltes Gas aus dem
Ansaugkanal 2 und stoßen es durch die Öffnung 7 aus. Es ist zu
betonen, daß gleichzeitig ein kräftiger Gasstrom durch die
Beschaufelung 6 von ihrem Zentrum zur Peripherie entsteht. Dieser
Prozeß ist wichtig hinsichtlich des Auftretens einer weiteren
spiralförmigen Wirbelbewegung der Strömung in dem ringförmigen
Arbeitskanal. Folglich wird der Sog. der in dem Teil des
Sektors J2 auftritt, der nicht von der Öffnung 7 eingenommen wird,
von der bereits gebildeten Strömung geliefert, nämlich vom
Zentrum zur Peripherie der Beschaufelung 6. Solch ein Sog
gewährleistet das Auftreten der Wirbelbewegung in dem ringförmigen
Arbeitskanal unmittelbar hinter dem Ansaugkanal 2, und der
Gasstrom erhält einen Drehimpuls. Dies steigert die
Verdichtungsleistung des Verdichters, da die Wirbelbewegung grundlegend für
die Übertragung einer Energie vom Laufrad auf Gas ist.
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Der offenbarte Effekt ist nur der vorliegenden Ausführung zu
eigen. Zum Beispiel wird gemäß der SU, A, 328265 auf einer
Ansaugseite eine Strömung vom Nullpegel gebildet, da die
Blasöffnung durch den Bereich der Absperrvorrichtung von der
Ansaugseite getrennt ist. Die Praxis zeigt, daß die Bildung einer
Wirbelströmung einen ausgedehnten Teil des ringförmigen
Arbeitskanals zusammen mit dem Ansaugkanal einnimmt. Daher führt
ein Bewahren des ringförmigen Arbeitskanals für eine wirksame
Gasverdichtung zu einem wesentlichen Effekt. Es ist anzumerken,
daß der Vorteil der vorliegenden Erfindung im Vergleich zur
Ausführung der SU, A, 328265 auch darin liegt, daß der
Blasvorgang in zwei Phasen unterteilt ist, nämlich den Ausstoß des
heißen Gases in einen Teil des Sektors J3, der zur Öffnung 7
offen ist, und das Blasen als solches in einem Teil des Sektors
J2, der zur Öffnung 7 offen ist. Hierdurch wird ein Ausstoß des
heißen Gases in einer dem Blasstrom entgegengesetzten Richtung
und eine Behinderung von dessen Bildung ausgeschlossen.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, die für ein ungemindertes
Blasen und Ansaugen erforderlichen Winkelabmessungen der
Sektoren J1 und J2 zu verringern, d. h., den Arbeitskanal zu bewahren
und den Wirkungsgrad des Verdichters zu verbessern.
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Die Einbuchtung 9 vergrößert die Öffnung 8 und sorgt für einen
schnelleren Ausstoß des heißen Gases aus dem
Zwischenschaufelraum der Beschaufelung 6 durch die Öffnung 7. Sie gewährleistet
außerdem eine Verringerung der Winkelabmessungen der Sektoren
J1 und J2.
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Der Blasvorgang wird von einem beträchtlichen Geräusch
begleitet. Um das Geräusch abzuschwächen und den Blasstrom zum
Zwischenschaufelraum der Beschaufelung 6 zu leiten, kann eine
Einlage 10 aus schallschluckendem Material vorgesehen sein.
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Die Trennung des Blasstroms von dem Ansaugstrom durch ein
Leitblech 11 gewährleistet eine schnellere Wirbelbildung in dem
ringförmigen Arbeitskanal.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Der vorliegende Wirbelstromverdichter kann höchst erfolgreich
in radialen Spiral-Turboverdichtern und anderen Pumpen mit
nicht-volumetrischer Verdrängung für Gase und Dämpfe mit
Drehbewegung verwendet werden, zum Beispiel in Verdichtern, die an
ihrem Austritt ein Gas mit niedriger Temperatur erfordern,
insbesondere zum Mahlen von Getreide.