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Schleuderverdichter für sehr hohes Stufendruckverhältnis Die Erfindung
bezieht sich auf einen Schleuderverdichter für sehr hohes Stufendruckverhältnis,
dessen Läufer zusammen mit den Schaufeln aus einem Stück hergestellt und bestimmt
ist, mindestens im Bereich des äußeren Umfanges mit einer über der Schallgeschwindigkeit
des Fördermediums liegenden Geschwindigkeit umzulaufen.
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Das durch einen Schleuderverdichter erreichbare Stufendruckverhältnis
wurde im Laufe der Entwicklung hauptsächlich durch Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit
des Läufers ständig erhöht.. Die mechanische Beanspruchung des Läufers neuester
Bauarten von Schleuderverdichtern liegt der schon in -den Bereich der Schallgeschwindigkeiten
fallenden Umfangsgeschwindigkeiten wegen recht hoch, weshalb die Läufer nur noch
mit rein radialer Erstreckung sowohl der Schaufeln wie auch der Strömung ausgeführt
wurden. Da die absolute Austrittsgeschwindigkeit -des verdichteten Fördermediums
bei radialer Richtung der Schaufelkanäle noch größer als die Umfangsgeschwindigkeit
des Läufers ausfällt, liegt sie- um einen bedeutenden Betrag über der Schallgeschwindigkeit.
Rückwärts gekrümmte Schaufeln, welche bekanntlich die Austrittsgeschwindigkeit bei
gegebener Umfangsgeschwindigkeit vermindern, wurden lange vor Erreichung der Schallgeschwindigkeiten,
hauptsächlich aus Gründen der Festigkeit, absichtlich verlassen. Der Wunsch nach
größeren Umfangsgeschwindigkeiten und erhöhten Förderdrücken ließ sich nur durch
Verwendung rein radialer Laufschaufeln verwirklichen, und die hierbei sich einstellende
Steigerung der Austrittsgeschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus wurde
als un-,vichtig betrachtet.
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Mit dem Ansteigen der absoluten Austrittsgeschwindigkeit des Fördermediums
über seine Schallgeschwindigkeit hinaus, machen sich jedoch
Störungen-
bemerkbar,- welche durch Machsche Druckwellen verursacht sind und eine wesentliche
Verminderung des Verdichterwirkungsgrades zur Folge haben. Diese Störungen wachsen
mit steigender Geschwindigkeit; sie haben bisher einer weiteren Erhöhung des ,Druckverhältnisses
eine Grenze- gesetzt. Die Erfindung zeigt einen Weg, das Druckverhältnis von Schleuderverdichtern
durch weitere Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit noch erhöhen zu können, ohne
indessen eine Verminderung des Wirkungsgrades in -Kauf nehmen. zu müssen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Schaufel in zur Läuferachse senkrechten
Querschnitten radial gerichtete Schnitte aufweist;- daß die Schaufel zugleich als
ein längs dem Läufer vom Eintritt zum Austritt im- Durchmesser zunehmender Schraubengang
gestaltet und daß längs dem Läufer der Verlauf des Durchmessers und der Steigung
so bemessen ist, daß der Winkel zwischen der Relativgeschwindigkeit im - Läufer
und der Richtung rückwärts zur Umfangsgeschwindigkeit des Läufers vom Eintritt zum
Austritt abnimmt, und daß ferner am Austritt sowohl dieser Winkel als auch die Relativgeschwindigkeit
.so gewählt ist, -daß- die absolute Austrittsgeschwindigkeit des. verdichteten Mittels
dessen Schallgeschwindigkeit nicht so weit überschreitet, daß .Machselig,- .Druckwellen
-. sich ausbilden.
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Bei so ausgebildetem Läufer läßt sich die Umfangsgeschwindigkeit eines
Verdichterläufers bis weit über die Schallgeschwindigkeit hinaus erhöhen, ohne daß
= eine. Einbuße des Wirkungsgrades in Kauf genommen- werden muß. Mit- Rücksieht
auf die Festigkeit des Läufers wird diese Erhöhung durch -die- radiale... Erstreckung
-. der Schaufelquerschnitte und die daher' im -wesentlichen biegungslose-Aufnahme
der Fliehkraft mögr lieh gemacht. Zugleich sind aber die Schaufelkanäle in ihrer
Strömungsrichtung= gegenüber der Läuferachse windschief gestellt, und mittels dieser
somit nicht radialen Erstreckung der Schaufelkanäle wird es ermöglicht, die Schaufel
unter- Wahrung der radialen Erstreckung ihrer Querschnitte als rückwärts gekrümmten
Schraubengang zu gestalten, es also zu erzielen, daß der zwischen der Relativgeschwindigkeit
. der mittels der Schaufel geführten Läuferströmung und :der Richtung zur Umfangsgeschwindigkeit
des Läufers gemessene Schaufelwinkel vom Eintritt zum Austritt hin abnimmt: Schon
allein der für den Läufer eines Schleuderverdichters charakteristische Umstand,
daß sein Durchmesser vom Eintritt zum Austritt hin zunimmt, verursacht - und beeinflußt,
ein solches Abnehmen des Schaufelwinkels, wobei aber. das Abnehmer. weiter beeinflußt
werden kann durch entsprechende Bemessung des Verlaufs des Durchmessers längs dem
Läufer, einschließlich auch . der Gesamtlänge, auf welcher der. Durchmesser zunimmt,
_ sowie durch. entsprechende Bemessung des.Verlaufs der Schräübensteigung längs
dem Läufer. ° -Durch Anwendung dieser-. Mittel- wird erzielt, daß, ohne Beeinträchtigung
der Festigkeit des Läufers, der Schaufelwinkel, z. B. ausgehend von einem durch
stoßfreien Eintritt bestimmten Anfangswert, in sanfter Rückwärtskrümmung der Schaufel
sich bis auf einen Austrittswert verkleinert, welcher zusammen mit der Relativgeschwindigkeit
und einer die Schallgeschwindigkeit überschreitenden Umfangsgeschwindigkeit am Läuferaustritt
eine absolute Austrittsgeschwindigkeit .des verdichteten Mittels ergibt, welche
dessen Schallgeschwindigkeit nicht oder jedenfalls nicht so weit überschreitet,
daß Machsche Druckwellen sich ausbilden. Das erreichbare Stufendruckverhältniswächst
ungefähr mit der zweiten Potenz der Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit, so daß
z. B. bei Förderung von Luft bei Umfangsgeschwindigkeiten von über qoo misec in
einer einzigen Stufe ohne Schwierigkeit ein Druckverhältnis vom Betrag 2 und darüber
bewältigt werden kann.
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Halbaxiale Läuferformen sind für langsam laufende Ventilatoren bekannt,
bei denen aus Blech oder aus gegossenem Baustoff bestehende Schaufeln so gestellt
sind, daß die zur Drehachse senkrechten Querschnitte ungefähr radial gerichtet sind.
Hiermit wurden gewisse Vorteile für die Blechbearbeitung und für die Schweißung
oder für, die Gießerei, erreicht.: Für die bei diesen Ventilatoren weit unter der
Schallgeschwindigkeit sich abspielenden Strömungsvorgänge bleibt diese halbaxiale
Form jedoch bedeutungslos. Erst bei Anwendung des halbaxialen Läufers auf Ver--
dichtes, bei -dienen ;die Schaufelumfangsgeschwindigkeit--die 'Schallgeschwindigkeit
überschreitet, wobei die Schaufeln derart rückwärts zu krümmen sind, daß -: keine-
Machsehen Druckwellen entte kö # ' -"-' h 'die Möglichkeit, das in s 'lien
nnen, entste t - einem. --. Laufrad erieichbare Druckverhältnis weiter vergrößern
zu können, ohne unzulässige Verluste in-Kauf nehmen zu müssen.
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Bei- dem --nach- der Erfindung ausgebildeten Läufer lassen sich auch
noch Zwischenschaufeln anordnen oder die Schaufeln unterbrechen _ und versetzt fortführen.
Dadurch wird noch- eine weitere-- Verbesserung des Läuferwirkungsgrades insofern
erreicht, als die bei hohen Geschwindigkeiten erhöhte- Gefahr der Strömungsablösung
vermieden wird.
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Die Erfindung `ist nachstehend ,an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert.
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Fig.. i zeigt vereinfacht ein erstes Ausführungsbeispiel- eines Höchstdruckverdichters
nach der Erfindung im Längsschnitt; Fig@2 und 3 stellen den Läufer des Höchstdrückverdichters
nach Fig. i in Ansicht und im Querschnitt dar; Fig. q. und. 5'Yeranschaulichen in
entsprechenden Darstellungen einen Läufer mit Zwischenschaufeln; `- FiÜ6 .find -7
lassen einen Läufer mit unter-, . und _ versetzt fortgeführten - Schaufeln
erkennen.
Der Verdichter nach Fig. i besitzt einen Läufer i, der
mit den Schaufeln 2, z. B. durch Schmieden und Fräsen, aus dem vollen Material hergestellt
ist und fliegend auf der Welle 3 sitzt. Die Luft oder ein anderes Gas wird aus dem
Kanal4 angesaugt und in verdichtetem Zustand durch das Spiralgehäuse 5 abgeführt.
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In Betrieb laufen die Schaufeln :2 (Fig. 2 und 3) des Läufers i mit
einer Umfangsgeschwindigkeit, die mindestens an den Austrittskanten 6 die Schallgeschwindigkeit
des verdichteten Mittels überschreitet. Um die hierbei erhöhten Fliehkräfte biegespannungslos
aufnehmen zu können, sind die Schaufeln 2 so ausgeführt, daß sämtliche zur Achse
X des Läufers senkrecht gelegten Schnitte I-I, II-II, III-III genau in Richtung
der Radien r., 72 bzw. r3 verlaufen.
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Die Strömungsrichtung in den zwischen den Schaufeln entstehenden Strömungskanälen
ist nicht radial gerichtet, sondern erfährt im Sinne des Pfeiles 7 eine Neigung
hinsichtlich der Läuferachse X. Dadurch wird es ermöglicht, den Schaufeln eine solche
hinsichtlich der Drehrichtung 8 rückwärts gerichtete Krümmung zu erteilen, daß die
absolute Austrittsgeschwindigkeit des verdicheten Mittels seine Schallgeschwindigkeit
nicht überschreitet.
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Diese Rückwärtskrümmung ermöglicht, imierhalb einer einzigen Stufe
ein Verdichtungsverhältnis von über 2,0 zu erreichen, ohne hierbei Störungen durch
Machsche Druckwellen, die im Bereich über der Schallgeschwindigkeit entstehen würden,
in Kauf nehmen zu müssen.
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Der Läufer nach den Fig.4 und 5 besitzt zwischen-den Hauptschaufeln
2 noch zusätzliche Zwischenschaufeln 9, welche die Strömung des zu verdichtenden
Mittels besser leiten und damit eine ungleiche Verteilung des zu verdichtenden Mittels
innerhalb der Strötnungskanäle verhüten.
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Der Läufer nach den Fig.6 und 7 besitzt Schaufeln i o, die an den
Stellen i i unterbrochen und versetzt fortgeführt sind. Dadurch wird ein Ablösen
der Strömung, was bei -den hohen Geschwindigkeiten leicht eintreten könnte, vermieden.
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Es ist möglich, bei gewissen Betriebsbedingungen die Strömungsgeschwindigkeit
des verdichteten Mittels in geringem Maße über die Schallgeschwindigkeit steigen
zu lassen, wenn noch keine Störungen des Betriebes durch Machsche Wellen verursacht
werden.