-
Kreiselverdichter mit axialer Durchströmung De Wirkungsgrad der bisher
bekannten Verdichter ist unbefriedigend. Demgegenüber bezieht sich der Gegenstand
dieser Erfindung auf einen Kreiselverdichter, mit dem das Ziel verfolgt wird, einen
möglichst guten Wirkungsgrad zu erreichen.
-
Die axialen Schraubenverdichter haben unter bestimmten Betriebsbedingungen
einen guten Wirkungsgrad. Ihr Mangel besteht aber in der geringen Leistungsfähigkeit
der Einzelstufe, weshalb zur Erreichung größerer Druckdifferenzen eine Vielzahl
hintereinander angeordneter Verdichterräder erforderlich ist. Weiterhin ist der
gute Wirkungsgrad nur bei bestimmter Belastung erreichbar. Bei Abweichungen von
dieser verschlechtert er sich erheblich.
-
Die radialen Schleuderverdichter haben an und für sich einen verhältnismäßig
niedrigen Wirkungsgrad. Wenn man den Grund dafür sucht, so findet man in der Hauptsache
zwei Verlustquellen, die durch die Eigenart ihrer Laufräder bedingt sind. Man bezeichnet
sie als Eintritts-.bzw. Austrittsverluste. Sie entstehen durch Wirbelbildungen beim
Eintritt der Strömung in das Laufrad bzw. beim Verlassen desselben. Beim Eintritt
entstehen die Wirbel durch Abreißen der Strömung und durch Ablösungserscheinungen
auf der Rückseite der Schaufeln. Sie sind durch sprunghafte Geschwindigkeitsänderungen
und Richtungswechsel der Strömung, die hier stattfinden, bedingt. Die Austrittsverluste
haben ihren Ursprung im Laufrad selbst und werden damit erklärt, daß die Luftteilchen
auf dem Weg durch das rotierende Kreiselrad immer wieder in Bereiche größerer Umfangsgeschwindigkeiten
gelangen und somit fortlaufend wachsende Tangentialbeschleunigungen erfahren. Durch
ihren Trägheitswiderstand pressen sich die Teilchen vor den Druckseiten der Lauf
radschaufeln zusammen und entfernen sich voneinander hinter den Rückseiten derselben.
Zwischen
Druck- und Rückseite einer jeden Schaufel entsteht somit
ein Druckunterschied. Beim Ausströmen aus dem Laufrad gleicht sich dieser aus und
verursacht im Zusammenwirken mit der Strömungsgeschwindigkeit heftige Wirbelbildungen.
Diese können durch ,Anordnung möglichst vieler Laufradschaufeln zwar verkleinert
werden, da sich dann der Druckunterschied je Schaufelwand verringert, aber bei radialer
Durchströmung des Kreiselrades nie aufgehoben werden. Außer den Eintritts- und Austrittsverlusten
spielen noch die Reibungsverluste eine gewisse Rolle. Sie entstehen infolge der
Reibung zwischen dem Luftstrom und dem Material des Verdichters. Durch Verminderung
der Reibungsflächen können sie verkleinert werden, was möglichst große Durchflußquerschnitte
und wenig Laufradschaufeln bedingt. Im Vergleich zu den besprochenen Turbulenzverlusten
sind sie von zweitrangiger Bedeutung und werden in dieser Beschreibung nicht weiter
behandelt.
-
Der Erfindungsgegenstand bezweckt die Wirbelbildung beim Ein- und
Austritt der Strömung aus dem Laufrad möglichst weitgehend zu unterbinden, um den
Wirkungsgrad zu erhöhen. Er vereinigt die guten Eigenschaften des Schrauhenpropellers
mit denen des Schleuderverdichters ohne deren -Nachteile.
-
Bild i veranschaulicht einen Längsschnitt durch den Verdichter; Bild
2 zeigt das Verdichterrad von vorn gesehen ohne Gehäuse; Bild 3 gibt schematisch
die Abwicklung@ der Beschaufelung wieder.
-
Beim Betrachten dieses Bildes ist zu beachten, daß nur der Teil der
Beschaufeilung wahrheitsgetreu wiedergegeben ist, der zur Drehachse parallel verläuft
(Zone I11). Der erste Teil, der die Beschaufelung vom flaschenhalsartigen Vorderteil
veranschaulicht (Zone I und 1I), ist verzerrt gezeichnet. Trotzdem vermag das Bild
eine richtige Vorstellung von dem tatsächlichen Sachverhalt zu bieten, wenn man
zur gleichen Zeit auch den Längsschnitt (Bild i) betrachtet und bedenkt, daß die
Schaufeln in Form einer Schraubenspirale auf den Grundkörper aufgewickelt sind (Bild
2).
-
Der Grundkörper i des Laufrades weist die Form eines Flaschenhalses
auf. Auf diesem sind die Schaufeln 2 als gekrümmte Spiralflächen aufgesetzt, und
zwar so, daß sie am Eintritt die Stellung und 1?igenschaften eines Schrauhenpropellers
haben, um sodann in allmählicher Krümmung die Schaufelforen eines Schleuderrades
anzunehmen. Am äußeren Umfang liegen sie sich wieder in Richtung der Drehachse 3
und verlaufen in ihrem letzten Teil parallel zu dieser. Im Einlaufstutzen vor dem
Laufrad befindet sich ein verstellbarer Leitschaufelkranz q. Durch seine Konstruktionsmerkmale
ist somit das Laufrad in drei Zonen geteilt: I Eintrittszone, 11 -Mittelzone
und III Austrittszone.
-
In Zone I besitzt das Laufrad die Eigenschaften eines Schraubenpropellers.
Das Ablösen der Strömung auf der Rückseite der Schaufeln und somit die Wirbelbildung
wird hier durch entsprechende Wahl des I?inströmwinkels verhindert. Dieser wird
mittels des verstellbaren Leitschaufelkranzes .1 einreguliert. Die Eintrittsverluste
werden hierdurch auf ein 'Minimum herabgedrückt.
-
In Zone 11 nimmt das Laufrad die Eigenschaften des Schleuderrades
an. Die Str<imung verläuft hier, in axial-radialer Richtung. somit gelangen die
Strömungsteilchen immer wieder in Gebiete mit größeren Umfangsgeschwindigkeiten.
Sie erfahren fortwährend neue I>esclileunigtingen in tangentialer wie in radialer
Richtung. Der Träglieitswiderstand gegen die taeigentiale Beschleunigung bewirkt
eine Vergrößerung der Striiniungsdichte längs der Druckseiten der Schaufeln und
eine Verringerung der Dichte an den Rückseiten. Um dieser Verringerung entgegenzuwirken,
nehmen die Schaufeln in dieser Zone allmählich ini Querschnitt zu. Auch die neu
hinzukommenden Hilfsschaufeln 9 werden so ausgeführt, daß sie der Dichteveränderung
entgegenwirken, um so die Gefahren der Turbulenzbildung zu verringern.
-
Die anschließende Zone 111 dient zur Beruhigung der Strömung
und zum Ausgleich vorhandener Druckunterschiede. Sie ist ein zur Achse paralleler
Ringraum. In ihm erfahren die Strömungsteilchen keine tangentiale Beschleunigung
mehr, somit verschwindet in ihm auch der Trägheitswiderstand in tangentialer Richtung.
und damit wird in diesem Teil des Laufrades den Masseteilchen die Gelegenheit gegeben,
vorhandene tangentiale Druckunterschiede auszugleichen. 1>a die Luft infolgedessen
ohne Druckdifferenzen aus dem Laufrad ausströmt, entfällt die Hauptursache zur Wirbelbildung
im anschließenden Diffusorring. :ii diesem ist es deshalb möglich die Leitschaufeln
wegzulassen, ohne größere Verluste zu befürchten. Er stellt dann eine einzige Diffusordüse
in l,'ingforni dar und kann als Tangentendiffusor bezeichnet werden, weil in ihm
die Strömung in tangentialer Richtung vom Laufrad abfließt. Im gezeichnet.-ii Längsschnitt
(Bild i) erscheint die -Mittellinie des Difftisorringes allerdings als eine Hyperbel
j. die sich mit ihrem Scheitelpu:lkt der Mittellinie Gier L-aufradkanäle 6 anschließt.
Ihr Asvmtotenwinkel l;üeigt von dein Verhältnis axiale Austrittsgeschwindigkeit
zur L-mfangsgesch-,viidigkeit ab. Durch Wegfall (fer Leitschaufeln im Austrittsdiffusor
vereinfacht sich dessen Konstruktion. :Auch der Wirkungsgrad kann sich unter Umständen
verbessern, da sich die IZeibungsverltiste verringern.
-
Die Bilder 2 und 3 lassen deutlich erkennen, daß die Beschaufelung
des Laufrades der Strömung auch einen Schub in axialer Richtung erteilt. In der
Zone III nehmen die Scliaufelduersciinitte allmählich ab, um am Ende in scharfen
Kanten auszulaufen. Der Kanalraum zwischen <leii Schaufeln wird dadurch düsenartig
ausgebildet. An der L`bergangsstelle@ zwischen Zone 1I und 111 befindet sich
der engste Düsenquerschnitt, hier besitzt die Strömung ihre größte Geschwindigkeit,
die bis zum Ende der 1I1. Zone wieder abnimmt. 1n den Düsenkanälen der Zone III
verwandelt sich somit ein Teil der axialen Strömungsenergie in Druck und erhöht
den Enddruck der Verdichtung. Dieser ist deshalb beim
Eintritt in
den stehenden Diffusorring 5 größer, als er bei einem rein radialen Schleuderrad
mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit wäre. Er ist aber auch größer, als er bei einem
rein axialen Verdichterrad mit den Schaufelprofilen auf Bild 3 wäre, weil er sich
ja im Endresultat aus beiden Wirkungen, der axialen und radialen, zusammensetzt.
Es ist daher möglich mit einem radial-axialen Laufrad höhere Druckdifferenzen in
einer Stufe zu bewältigen, als mit einem nur radialen oder axialen Verdichterrad.