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Diagonalverdichter mit beschaufelter Leitvorrichtung zunehmenden Querschnitts
für gasförmige Strömungsmittel Die Erfindung bezieht sich auf einen Diagonalverdichter
mit beschaufelter Leitvorrichtung zunehmenden Querschnitts für gasförmige Strömungsmittel.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einem solchen Diagonalverdichter
oder Zentrifugalverdichter mit schräger Strömungsrichtung die Leitvorrichtung derart
auszubilden, daß die äußere Begrenzung derselben eine Kugelzone von in Strömungsrichtung
zunehmendem Umfang mit in der Laufradachse liegendem Mittelpunkt darstellt, wobei
die Schaufeln radial zum Kugelmittelpunkt stehen.
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Zweckmäßig kann man bei dieser Ausbildung der Leitvorrichtung die
Kugelzone der Begrenzung in der Strömungsrichtung in eine zylindrische Zone oder
auch in eine kegelstumpfförmige Zone, deren Achse mit derjenigen desLaufrades zusammenfällt,
übergehen lassen.
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Dabei können sowohl Höhe wie Breite der durch die Schaufeln der Leitvorrichtung
gebildeten Kanäle in Strömungsrichtung allmählich zunehmen,wobei zweckmäßig Höhe
und Breite der Leitkanäle am Eintritt nahezu gleich groß gehalten werden.
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Die Schaufeln können in ihrem vorderen Teil als gerade Platten ausgebildet
sein, während der schaufellose Ringraum zwischen der Austrittskante der Laufradschaufeln
und den Eintrittskanten der Leitschaufeln so kurz als möglich gehalten ist.
Man
hat bereits einen Staubsauger in Vorschlag gebracht, bei welchem der Antriebsmotor
von einem besonderen, teilweise als Kugelfläche ausgebildeten Gehäuse umgeben ist,
um die durch das Flügelrad in Drehung versetzte Luft in glattem, ruhigem Strom weiterzuleiten.
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Die Luft wird hier unter zunehmender Verengung des Strömungsquerschnitts
zur Achse hin bewegt, wobei zwar drei axiale Stege vorgesehen sind, die aber schon
wegen ihrer geringen Zahl keine brauchbare Leitvorrichtung, besonders für hohe Strömungsgeschwindigkeiten
und große Leistungen, darstellen.
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Man hat ferner. bereits einen Lüfter mit frei in der Luft drehbarem
Laufrad in Vorschlag gebracht, dessen Flügel zylindrisch gekrümmt sind und in der
Strömungsrichtung sich verengende Strömungswege bilden. Eine nachgeordnete Leitvorrichtung
war bei diesem Lüfter nicht vorgesehen.
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Von diesen bekannten Einrichtungen unterscheidet sich der erfindungsgemäße
Diagonalverdichter einmal dadurch, daß die Strömungskanäle allmählich zunehmenden
Querschnitt aufweisen, sowie ferner in der Hinsicht, daß der Umfang der Kugelzone,
welche die äußere Begrenzung der Leitvorrichtung mit in der Laufradachse liegendem
Mittelpunkt darstellt, in Strömungsrichtung zunimmt.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Diagonalverdichters mit beschaufelter
Leitvorrichtung zunehmenden Querschnitts für gasförmige Strömungsmittel bedingt
wertvolle technische -Wirkungen und Vorteile.
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Zunächst wird, wie eingehende Versuche ergeben haben, die Leistung
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Diagonalverdichters gegenüber bekannten Konstruktionen
bei stark vermindertem Diffusordurchmesser wesentlich verbessert. Da das Druckgehäuse
die Form eines Rotationskörpers besitzt bzw. das äußere Gehäuse des Diffusors kugelförmig
gestaltet ist, an welches sich ein z. B. als Verbrennungskammer für ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk
dienender zylindrischer Teil anschließt, genügen zur Starrheit des Gehäuses geringe
Wandstärken. Dies ist bei der Ausbildung von Flugzeug-Gasturbinentriebwerken wie
auch von Verdichtern höheren Drucks vorteilhaft.
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Die Einlaßkanten der Leitschaufeln sind zweckmäßig radial, nach dem
Zentrum der Kugelzone gehend, gerichtet, so daß sie einen Winkel von weniger als
go° mit der Rotationsachse bilden. Die Weite des Kanals zwischen zwei benachbarten
Schaufeln und die radiale Tiefe am Einlaß werden so gewählt, daß der erforderliche
Eintritt erhalten wird. Wenn die radiale Tiefe des Kanals am Eintritt groß ist,
erscheint es zweckmäßig, den Einlaßwinkel längs der Einlaßkante der Schaufel zu
variieren, so daß an jedem Zwischenpunkt der richtige Eintrittswinkel entsteht.
Zahl der Schaufeln und Einlaßwinkel werden zweckmäßig so gewählt, daß die radiale
Tiefe des Kanals und seine Weite zwischen zwei benachbarten Schaufeln nahezu gleich
sind. Der Querschnitt des Kanals zwischen zwei benachbarten Schaufeln wird durch
einen Kreis mit dem Radius der Kugelzone bestimmt, der die äußere Begrenzung bildet,
sowie durch einen konzentrischen Kreis oder eine gerade Linie, welche die innere
Begrenzung bildet, und durch zwei radiale Flächen, welche die Seitengrenzen bilden.
Der Einlaßquerschnitt an der Leitvorrichtung bildet dann nahezu einQuadrat. Wenn
im einfachsten Falle die Schaufeln konstante Dicke mit radialen Mittellinien besitzen,
weichen die Seiten infolge der Dicke der Schaufeln etwas von der radialen Linie
ab.
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Die Gestaltung des Kanals wird so getroffen, daß sowohl seine Weite
wie seine Tiefe allmählich zunehmen. Die Verjüngung wird zweckmäßig etwa so gewählt,
daß sie die beste Energieumwandlung ergibt, d. h. mit etwa 7° (oder o,i2 bis
0,15 cm Vergrößerung in Breite und Tiefe pro cm der Kanallänge) bei hoher
Oberflächengüte.
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Wählt man den Radius der Kugelzone, die Anzahl der Leitschaufeln und
die Einlaßweite zwischen zwei benachbartenSchaufeln in zweckentsprechenderWeise,
so ist es möglich, die erforderliche Divergenz des Kanals innerhalb zulässiger Grenzen
vermittels von Schaufeln zu erhalten, die fast auf der ganzen Länge des Durchgangs
als flache Platten ausgebildet sind und lediglich eine leichte Biegung nach dem
Ende zu besitzen.
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Die Einlaßkanten werden am besten scharf oder nahezu scharf ausgebildet.
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Am Ende des Teils, dessen äußere Wandung durch die Kugelzone gebildet
wird, kann die Leitvorrichtung durch einen Teil mit zylindrisch oder kegelförmig
gestalteter Außenwandung erweitert sein. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn
der äußere Durchmesser der Leitvorrichtung so klein wie möglich gehalten wird und
deshalb die erforderliche Länge des Leitkanals nicht allein innerhalb des Kugelzonenteils
zur Verfügung steht.
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Wenn der an die Kugelzone anschließende Teil mit zylindrischer Außenwandung
ausgebildet wird, so können die Schaufeln in diesem Teil radial nach dem Zentrum
der Kugelzone oder nach der Rotationsachse hin verlaufen.
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Wenn der erwähnte Teil kegelstumpfförmig ausgebildet ist, so können
die Schaufeln in diesem Teil ebenfalls durch die Rotationsachse gehen.
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Eine in dieser Weise ausgestaltete Leitvorrichtung weist kleinen äußeren
Durchmesser im Verhältnis zu der durchgesetzten Menge des Mittels auf. Wenn sie
durch folgende Merkmale bestimmt ist, ergibt sie einen guten Wirkungsgrad: i. Sie
kann nahezu quadratischen Querschnitt auf der ganzen Kanallänge besitzen, was einen
guten hydraulischen Radius für den Kanal ergibt.
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2. Weite und Tiefe des Kanals wachsen beide allmählich längs des Kanals
und mit dem besten Verjüngungswinkel, der den kürzesten Leitkanal bei gegebener
Austrittsgeschwindigkeit des Mittels ergibt.
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3. Der Krümmungsradius des Kanals ist an allen Stellen groß, verglichen
mit seiner Weite und Tiefe. Die Erfindung und ihre Anwendung ist in den Zeichnungen
beispielsweise veranschaulicht. In der Zeichnung zeigt Fig. i eine in Strömungsrichtung
gesehene Ansicht einer Leitvorrichtung mit fünfzehn Schaufeln; Fig. 2 ist ein Grundriß
zu Fig. i; Fig. 3 ist eine Schrägansicht derselben Leitvorrichtung;
Fig.
4 ist ein Axialschnitt durch einen Verdichter nach einem älteren Vorschlag in Verbindung
mit der erfindungsgemäßen Leitvorrichtung; Fig. 5 ist ein Axialschnitt eines Verdichters
mit abgeänderter Leitvorrichtung.
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Gemäß den Fig. i, 2, 3 und 4, insbesondere nach Fig.4, besitzt die
Leitvorrichtung einen Teil mit äußerer Begrenzung a-f, die eine Kugelzone darstellt.
Das Zentrum dieser Kugelzone befindet sich bei o auf der Rotationsachse. Auf den
Kugelzonenteil folgt ein Teil mit äußerer Begrenzung f-g, die eine zylindrische
Fläche darstellt. Die Leitschaufeln i sind als Platten in das Gehäuse 2 gegossen,
das die innere Begrenzung der Leitkanäle bildet. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich,
verlaufen die Schaufeln an allen Stellen radial zum Zentrum o der Kugelzone a-f,
selbst an dem Teil mit zylindrischer Außenwandung f-g. Die äußere Begrenzung 3 der
Leitkanäle bildet die Fortsetzung der Begrenzungswand 3 des Laufrades 4, das gemäß
einem älteren Vorschlag gestaltet sein kann.
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Gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Grundriß verläuft die Einlaßkante
a-b radial nach dem Zentrum o der Kugelzone und bildet einen Winkel 0 mit der Rotationsachse,
der kleiner als 9o° ist. A ist ein Punkt an der benachbarten Schaufel, gegenüberliegend
a, d. h. a-A ist die kürzeste Entfernung von a nach der benachbarten Schaufel
längs der Oberfläche der Kugelzone. B auf der Radiallinie A-o ist der Punkt
auf der benachbarten Schaufel, entgegengesetzt b. Der Eintrittsquerschnitt zum Leitkanal
ist durch die Linie a-A-B-b-a begrenzt. Die Länge von a-b, die gleich A-B ist, wurde
derart gewählt, daß bei fünfzehn Schaufeln a-A ungefähr gleich a-b ist. Der Einlaßquerschnitt
des Leitkanals ist also nahezu quadratisch. Der Kanal zwischen zwei benachbarten
Leitschaufeln ist so gestaltet, daß Weite und Tiefe beide um einen durchschnittlichen
Betrag von o,123 cm pro cm der Kanallänge, bei einem etwa 7° betragenden Verjüngungswinkel,
vom Einlaß nach dem Auslaß hin, anwachsen.
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Die Hauptabmessungen sind so gewählt, daß die Leitschaufeln sich als
flache Platten von der Einlaßkante a-b nach einer radialen Linie etwas über
o- f
hinaus erstrecken, wobei ihre zunehmende Breite innerhalb der Grenzen
von o,ii8 bis o,i28 cm pro cm der Kanallänge variiert. Als Ergebnis der zunehmenden
Tiefe der Durchgänge liegen die Punkte e am Boden des benachbarten Kanals näher
zum Zentrum o, d. h. der Durchgang wird tiefer als der Punkt d an derselben Schaufel
und bei selbem Abstand von der Einlaßkante. Dies ist ferner in der unteren Hälfte
der Fig. 4 veranschaulicht. Der Boden des Kanals wird hier durch zwei Linien veranschaulicht,
die für die Kanäle an den beiden Seiten einer Schaufel gelten.
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Der Austrittsquerschnitt der Leitvorrichtung ist x-X-Y-y-x, wo x-X
gleich X-Y ist. Um eine plötzliche Änderung in der Strömungsrichtung an der Stelle
y auf b-y zu vermeiden, ist x-y etwas kleiner als X-Y gemacht.
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Fig. 4 veranschaulicht einen freien Ringraum zwischen der Austrittsöffnung
der LaufradschaufelnY-v und den Eintrittskanten der Verteilerschaufeln a-b.
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Die Strömungslinien sind hier an bestimmten Punkten längs der inneren
und äußeren Begrenzung dieses Ringraumes, der zu einer Leitschaufel führt, mit strichpunktierten
Linien dargestellt: Va zeigt hier die äußere Begrenzung, Vb die innere Begrenzung
in Fig.5. Es ist ersichtlich, daß die bei a und b ankommende Strömung
von zwei verschiedenen Schaufelnherkommt.
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Fig. 5 veranschaulicht eine etwas abgeänderte Anordnung. Ein ringförmiger
freier Raum ist hier zwischen den Austrittskanten Va, Vb der Laufradschaufel und
den Einlaßkanten a-b der Leitschaufeln vorgesehen. Die Leitvorrichtung besitzt einen
Teil mit äußerer Begrenzung a- f, die eine Kugelzone darstellt. Das Zentrum
dieser Kugelzone liegt wie oben bei o.
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In dem Teil des Leitrads mit kugelzonenförmiger Außenwandung verlaufen
die Leitschaufeln i radial nach dem Zentrum o der Kugelzone. Die Leitvorrichtung
besitzt einen Teil mit zylindrischer Außenwandung f-g. An diesem Teil verlaufen
die Schaufeln radial, indes unter rechtem Winkel zur Rotationsachse. Die Schaufeln
i sind in diesem Fall in einem Stück mit dem Innengehäuse 2 gegossen. Es ist daher
möglich, die Übergangsstellen, wie bei d und e dargestellt, abzurunden. Die äußere
Begrenzung des Leitkanals wird durch ein besonderes Außengehäuse 3, wie oben erläutert,
gebildet. Die Schaufelkanäle sind deshalb leicht zugänglich, so daß ihnen mühelos
die richtige Form und eine gute Oberflächengüte gegeben werden kann.
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Die Einlaßkante a-b weicht von der Radiallinie o-a ab. Die Eintrittswinkel
der Leitvorrichtung sind so gestaltet, daß sowohl bei a wie bei
b für die zugrunde gelegte Menge des Mittels stoßfreier Eintritt erhalten
wird. Die Leitschaufeln bilden einen Teil des Innengehäuses 2, das an der Linie
g-h endet, die radial zur Rotationsachse verläuft.
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Die Leitkanäle setzen sich im Gehäuse 5 fort. Dieses Gehäuse hat eine
zylindrische Außenwandung k-m, die eine Fortsetzung der zylindrischen Wandung f-g
bildet und eine im wesentlichen konisch gestaltete Innenwandung 1-n, die eine Fortsetzung
des Bodens b-h der Leitkanäle bildet. Diese Wandungen sind mittels Schaufeln k-m-n-l-k
verbunden, die bei 1-k denSchaufelkanten g-h vorzugsweise bei jeder zweiten Schaufel
i angepaßt sind. Bei vierundzwanzig Leitschaufeln :1 sind also zwölf Schaufeln im
Gehäuse 5 vorhanden. Diese Schaufeln sind hohl, besitzen Stromlinienquerschnitt
und sind mit Kanälen für Ölleitungen nach und von dem Lager 6 ausgestattet. Die
Wandungen der Schaufeln k-m-n-L-k sind nicht radial gerichtet, sondern werden wegen
der Einfachheit der Herstellung an allen Punkten parallel zu g-h ausgeführt.
Das Gehäuse 5 dient dazu, das Innengehäuse 2, welches das Lager 6 auf Austrittsseite
trägt, mit dem äußeren Gehäuse 3 zu verbinden, welches das Lager 7 auf Eintrittsseite
enthält.