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Mehrstufiger Gleichdruck-Axialverdichter Bei bisher bekannten AYialverdichtern
strömt die Luft dem Laufrad meistens in einer Richtung zu, die annähernd parallel
zur Drehachse ist. Da die Umlenkung im Laufrad verhältnismäßig gering ist, weicht
auch die Richtung der Absolutgeschwind,igkeit am Austritt nicht sehr weit von der
achsparallelen Richtung ab. Das Leitrad, das sich diesen Verhältnissen anzupassen
hat, hat dementsprechend Schaufeln mit annähernd achsparalleler Richtung. Der Winkel
der Leitschaufeltangente gegen die Umfangsrichtung ist nur selten kleiner als 7o°.
Wenn dieser Wert trotzdun einmal unterschritten wird, dann handelt es sich meistens
um sehr kleine Fördermengen und Durchflußgeschwindigkeiten, was daran zu erkennen
ist, <iaß auch der Laufschaufelwinkei nur klein, auf jeden Fall unter 45° ist.
Diese bisher bekannte Anordnung hat die Eigentümlichkeit, daß der Reaktionsgrad
in der Größenordnung von i liegt, wobei unter Reaktionsgrad das Verhältnis der im
Laufrad erzeugten Druckerhöhung zur gesamten Stufendruckerhöliung verstanden wird
und dieses Verhältnis aus dem Geschwindigkeitsverhältnis als i -c"1/u errechenbar
ist. Hierbei ist ac die Umfangsgeschwindigkeit und c"1, das arithmetische :Mittel
der absoluten Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung unmittelbar vor und
hinter dem Rad. Bei dieser Größe des Reaktionsgrades findet also nahezu die ganze
Druckerhöhung im Laufrad statt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Laufrad und
Luft ist ferner von der Größenordnung der
Umfangsgeschwindigkeit,
während die Anströmgeschwindigkeit gegen dlas Leitzad nur klein ist. Im Leitrad
findet nur eine Umlenkung, jedoch keine oder nur geringe Ernergieumsetzung statt.
Aus diesem Grund braucht für die Herstellung und Berechnung des Leitrades nur geringe
Sorgfalt aufgewandt zu werden. Man kommt hier mit einer kleineren Genauigkeit und
Oberflächengüte aus. Deshalb wird das Leitrad auch häufig aus einfachen Blechschaufeln
hergestellt, während das Laufrad bei modernen Axialverdichtern praktisch immer tragflügelähnlich
profilierte Schaufeln sehr hoher Genauigkeit und Glätte besitzt. Die Ausführung
des Leitrades mit dünnen Blechschaufeln ist ferner auch dadurch bedingt, daß es
schwer ist, mit Tragflügeln, bei der geringen Anströmgesehwindigkeit d.ie Umlenkung
zu erzielen, die nötig ist, wenn der Verdichter genügend hohe Drücke erzeugen soll.
Im Zusammenhang hiermit steht die Tatsache, daß die Schaufelzahl der einzelnen Leiträder
meist größer ist als die Schaufelzahl der einzelnen Laufräder. Regelungstechnisch
hat diese bekannte Ausführung die Eigenart, daß man durch Verdrehen der Laufschaufeln
besonders gut regeln kann. Nachteilig ist es jedoch, daß es bei den heute angewandten
sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten kaum möglich ist, die Laufschaufeln im Betrieb
zu verstellen.
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Es sind auch schon Gebläse bekanntgeworden, bei denen eine Gleichdruckwirkung
dadurch erzielt wird, daß man die Luft im Laufrad in axialer Richtung beschleunigt.
Man braucht dann aber hinter dem Gebläse einen besonders langen Diffusor, damit
die hohe Geschwindigkeit der Luft parallel zur Achsrichtung wieder in Druck zurückverwandelt
werden kann.
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Demgegenüber wird gemäß der Erfindung eine Gleichdruckwirkung bei
mehrstufigen Verdichtern dadurch erzielt, daß diie Laufschaufeln annähernd senkrecht
zur Umfangsrichtung und die Leitschaufeln schräg dazu gestellt sind. Dies bedeutet,
daß jetzt die Beschaufelung des Leitrades so ähnlich aussieht wie bisher die des
Laufrades., d. h. tragflügelähnliche Profile aufweist, während umgekehrt die Beschaufelung
des Laufrades wie die dies bisherigen Leitrades aus einfachen Blechen hergestellt
ist. Damit diese Beschaufelung möglich ist, muß das Laufrad mit einer Relativgeschwindigkeit
angeströmt werden, die der bisherigen Absolutgeschwin.digkeit gleicht, d. h. die
Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit muß nun von, der Größenordnung der
Umfangsgeschwirndigkeit sein.. Eine so hohe Umfangskomponente kann erzeugt werden
durch Gebläsestufen gewöhnlicher Bauart, die den eigentlichen Gebläsestufen gemäß
der Erfindung vorgeschaltet werden. Der Vorteil dieser neu vorgeschlagenen Anordnung
besteht darin, daß der empfindliche Teil der Beschaufelung jetzt nicht mehr umläuft,
sondern feststeht. Daher ist die Art der Schaufelprofilierung nicht mehr durch die
Rücksicht auf Fliehkräfte begrenzt. Man kann beispielsweise nun profilierte Schaufeln
verwenden, die außen wesentlich breiter sind als innen, was reglungstechnische Vorteile
hat. Man kann auch die profilierten Schaufeln in billiger Weise aus Walzprofilen
oder Hohlrohren (Kühlung) herstellen. Besonders einfach wird nun die Regelung. Man
kann die profilierten Schaufeln leicht durch irgendwelche im Gehäuse eingreifende
Verstellmechanismen verdrehen. Diese Art der Regelung ist nicht nur wirkungsvoller,
sondern auch einfacher als die bisherige Regelung durch Verdrehen von Leitschaufeln,
weil ja hier, wie erwähnt, die Zahl der zu verdrehenden Schaufeln kleiner ist. Ein
weiterer Vorteil der beschriebenen Anordinung ergibt sich, wenn man am Verd-ichtera.ustritt
aus baulichen Gründen eine hohe Geschwindigkeit in Umfangsrichtung braucht. Falls
dies nicht der Fall ist, kann die Geschwindigkeit in einem Spiralgehäuse oder in
einer anderen axialen oder radialen Leitvorrichtung bekannter Bauart wieder in Druck
verwandelt werden. Spiralgehäuse und radiale Leitvorrichtung bieten den besonderen
Vorteil, daß der Lagerabstand des Verdichters, der meist das Wellengewicht sehr
ungünstig beeinflußt, verkleinert werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters nach
der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch die obere
Hälfte eines zehnstufigen Axialverdichters, Abb.2 den Beschaufelungsplan der ersten
drei Stufen im vergrößerten Maßstab, Abb. 3 die Geschwindigkeitspläne, Abb. 4 den
Druckverlauf in den ersten drei Stufen. In den Abb. i und 2 ist i ein Vorleitrad,
2 und 3 sind je ein Lauf- und Leitrad zur Erzeugung des erforderlichen hohen Gleichdralles.
4 und 5 sind je ein Lauf- und Leitrad nach der Erfindung. Das Laufrad 4 weist viele
aus einfachen Blechen hergestellte Schaufeln, auf, während die .Schaufeln des Leitrades
5 tragflügelartig profiliert sind und ihre Zahl wesentlich geringer ist als die
Zahl der Schaufeln des zugehörigen Laufrades 4. Die Vorrichtung zur Verstellung
der Leitschaufeln, die in irgendeiner bekannten Weise ausgeführt sein kann, ist
in der Abb. i nicht dargestellt, um die Zeichnung nicht zu unübersichtlich zu gestalten.
Sie hat mit der Erfindung selbst auch unmittelbar nichts zu tun.
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Die Geschwindigkeitsdreiecke in der Abb.3 lassen erkennen, daß die
Umfangsgeschwindigkeiten u und die parallel zur Verdichterachse verlaufenden Geschwindigkeitskomponente
cm unter sich für alle Stufen praktisch gleich groß sind. Die Geschwindigkeitsdreiecke
gelten jeweils für einen Punkt der Beschaufelung, der der Lage der linken Dreiecksp.itze
entspricht. Die Druck- und Geschwindigkeitsverhältnisse der aus dem Laufrad 4 und
dem Laufrads bestehenden. zweiten Stufe wiederholen sich in den folgenden Stufen.