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Einrichtung zur Umsetzung von Uberschallgeschwindigkeit in Druck,
insbesondere bei Kreiselradverdichtern Die Erfindung betrifft die Ausbildung von
als Diffusor wirkenden Einrichtungen zur Umsetzung von Überschallgeschwindigkeit
in Druck, insbesondere bei radialen oder axialen Kreiselradverdichtern.
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Bei Diffusoren zur Umsetzung von Überschallgeschwindigkeit in Druck
treten vielfach Anfahrschwierigkeiten auf. Hierbei kommt es beim Eintritt in den
Diffusor zu Verdichtungsstößen, wobei wegen der hohen Verluste sowohl die erzielte
Drucksteigerung als auch die Durchflußmenge geringer bleiben als bei einem Betriebszustand
mit allmählicher Verdichtung. Der angestrebte Betriebszustand mit allmählicher Verdichtung
läßt sich ohne besondere Mittel überhaupt nicht erreichen, .. Es ist bereits bekannt,
daß man die beschriebenen Anfahrschwierigkeiten dadurch beheben kann, daß man die
Kanalwände von Diffusoren zur Umsetzung von Überschallgeschwindigkeit in Druck verstellbar
einrichtet, und die Größe des bei Überschall-Diffusoren notwendigen engsten Kanalquerschnittes
während des Anfahrvorganges verändert. Der Betriebszustand mit allmählicher Verdichtung,
der auf diese Weise erreicht wird, bleibt aber nur so lange bestehen, als die Geschwindigkeit
am Diffusoreintritt gleich bleibt oder höchstens größer wird. Ein Absinken der Eintrittsgeschwindigkeit
unter ihre normale Größe hat sofort die gleichen Zustände (Verdichtungsstöße, verringerte
Durchflußmenge) wie beim Anfahren mit unveränderlichem
engstem
Kanalquerschnitt zur Folge, wobei dann eine Rückkehr zu dem Betriebszustand mit
allmählicher Verdichtung von selbst nicht mehr möglich ist. Hierzu ist vielmehr
ein neuerliches Anfahren mit verändertem engstem Kanalquerschnitt erforderlich.
Es ist offensichtlich, daß die Anwendung verstellbarer Wände eine sehr umständliche
und unvollkommene Lösung zur Behebung der Anfabrschwierigkeiten und zur Aufrechterhaltung
des Betriebszustandes ist.
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Ein anderer durch die französische Patentschrift 892 q.8o bekanntgewordener
Vorschlag zur Vermeidung der bei Überschallverdichtern auftretenden Schwierigkeiten
besteht darin, die Schaufeln des am äußeren Laufradumfang mit Überschallgeschwindigkeit
umlaufenden Laufrades nach rückwärts zu krümmen. Hierdurch wird erreicht, daß die
absolute Strömungsgeschwindigkeit am Laufradaustritt und damit die Eintrittsgeschwindigkeit
in dem Diffusor kleiner als die Schallgeschwindigkeit bleibt. Diese Maßnahme bedeutet
jedoch nur ein Ausweichen vor den bei Überschallgeschwindigkeit auftretenden Schwierigkeiten
und ist nur begrenzt anwendbar. Da es schon allein in Hinblick darauf, daß die Strömungsgeschwindigkeiten
am Laufradaustritt ungleichmäßig sind, eine scharfe Grenze nicht gibt, ist die beschriebene
Maßnahme unter Umständen noch anwendbar, wenn die absolute Strömungsgeschwindigkeit
am Laufradaustritt die Schallgeschwindigkeit ein wenig überschreitet.
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Demgegenüber vermittelt die Erfindung eine Lehre, wie der Diffusor
von Turboverdichtern bemessen sein muß, wenn die absolute Strömungsgeschwindigkeit
am Laufradaustritt die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Ihre Anwendung ermöglicht
eine beträchtliche Überschreitung der Schallgeschwindigkeit.
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Bei beschaufelten Diffusoren von Kreiselradverdichtern, in denen das
Gas mit Überschallgeschwindigkeit aus dem Laufrad austritt, treten naturgemäß die
gleichen Anfahrschwierigkeiten auf, wie sie oben beschrieben wurden. Die Verhältnisse
sind hier sogar noch erheblich schwieriger, da das Gas mit wechselnder Richtung
in den Diffusor eintritt, was ebenfalls leicht zu einem Zusammenbruch der normalen
Strömung führen kann. Zur Behebung der Anfahrschwierigkeiten und zur Aufrechterhaltung
des Betriebszustandes von beschaufelten Überschalldiffusoren von Kreiselradverdichtern
genügt es also nicht, daß die Wände der einzelnen Diffusorkanäle verstellbar eingerichtet
sind, sondern die Diffusorkanäle müßten auch noch drehbar sein, um der wechselnden
Eintrittsrichtung des Gases angepaßt werden zu können. Bei der Vielzahl der notwendigen
Diffusorkanäle ist eine solche Lösung praktisch unbrauchbar.
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Es wurde nun durch Untersuchungen festgestellt, daß die Anfahrschwierigkeiten
vermieden werden, wenn der Querschnitt des als schaufelloser, rotationssymmetrischer
Ringraum ausgebildeten Diffusors erfindungsgemäß so bemessen ist, daß an jeder Stelle
die Meridiankomponente der jeweiligen Gasgeschwindigkeit kleiner als die örtliche
Schallgeschwindigkeit oder höchstens gleich der örtlichen Schallgeschwindigkeit
ist. Abweichungen von der normalen Eintrittsgeschwindigkeit in den Diffusor sowohl
nach Größe als auch nach Richtung haben keinen Zusammenbruch der Strömung zur Folge,
solange vorstehende Bedingung über die Größe der Meridiankomponente erfüllt ist.
Bei einem erfindungsgemäß bemessenen Diffusor ist also die Betätigung besonderer
Hilfsmittel zur Behebung der Anfahrschwierigkeiten und zur Aufrechterhaltung des
Betriebszustandes mit allmählicher Verdichtung nicht erforderlich, wobei gleichzeitig
wegen des Ausbleibens von Verdichtungsstößen und des Fehlens von Schaufeln eine
verlustarme Umsetzung von Überschallgeschwindigkeit in Druck gesichert ist.
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Die Anwendung eines schaufellosen Raumes zur Umsetzung von Überschallgeschwindigkeit
in Druck wurde bereits früher vorgeschlagen. Hierbei sollte der Querschnitt des
schaufellosen Raumes zunächst abnehmen, ein Minimum erreichen und sich dann wieder
erweitern. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist jedoch durch einen schaufellosen
Diffusor solcher Form die Lösung der beschriebenen Aufgabe, nämlich die Vermeidung
der Anfahrschwierigkeiten und die Erzielung einer allmählichen Verdichtung, keineswegs
gesichert.
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Die Abb. x bis 3 zeigen beispielsweise die Anwendung des Erfindungsgedankens
bei einem radialen Kreiselradverdichter. Die Abb. = ist ein Längsschnitt durch den
Verdichter, die Abb. 2 ein. Ausschnitt im vergrößerten Maßstab aus einem Schnitt
senkrecht zur Welle. Das geförderte Gas tritt aus dem Laufrad 5 mit der Überschallgeschwindigkeit
c2 aus; diese wird in dem anschließenden schaufellosen Überschalldiffusor 6 auf
die Unterschallgeschwindigkeit c2 herabgesetzt. Eine weitere Verzögerung findet
sodann in dem Unterschalldiffusor 7 und in dem Spiralgehäuse 8 statt. In der Abb.
2 ist das Geschwindigkeitsdreieck am Laufradaustritt eingezeichnet. u2 ist die Umfangsgeschwindigkeit,
w2 die relative, c2 die absolute Gasgeschwindigkeit am Laufradaustritt. Die Gasgeschwindigkeit
c2 ist größer als die Schallgeschwindigkeit und erfindungsgemäß so gerichtet, daß
ihre Meridiankomponente, also im vorliegenden Fall die Radialkomponente cr2, kleiner
als die örtliche Schallgeschwindigkeit a2 ist. Diese Bedingung läßt sich bei Kreiselradverdichtern
wegen Vorhandenseins der Laufradschaufeln meistens ohne Anwendung besonderer Leitschaufeln
erreichen. Zur Vermeidung von Anfabrschwierigkeiten und zur Erzielung einer verlustarmen
allmählichen Verdichtung ist der Querschnitt des schaufellosen Überschalldiffusors
6 so bemessen, daß die radiale Komponente c,.a der Gasgeschwindigkeit c" an jeder
Stelle x - x kleiner als die örtliche Schallgeschwindigkeit a. oder höchstens
gleich dieser ist (Abb. 3). In dem Querschnitt I - I ist schließlich die Herabsetzung
der Gasgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit erreicht. In dem Beispiel
erfolgt die weitere Verzögerung in. einem beschaufelten Unterschalldiffusor 7. Ebensogut
könnte diese Verzögerung auch in einer Fortsetzung des schaufellosen Raumes oder
in einem unmittelbar anschließenden Spiralgehäuse geschehen.
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Der Erfindungsgedanke lä.ßt sich ebenso auch auf axiale Kreiselradverdichter,
in denen das geförderte Gas mit Überschallgeschwindigkeit aus dem Laufrad austritt,
anwenden. Hierzu ist erforderlich, daß vor
Beginn des Diffusors
der Arbeitsraum der Strömung aus seiner axialen Richtung in die radiale oder in
eine zwischen der axialen und radialen gelegene Richtung umgelenkt wird. Auf besondere
Leitschaufeln kann auch hier vielfach verzichtet werden, da die Bedingung, daB am
Eintritt in den. Diffusor die Meridiankomponente kleiner oder höchstens gleich der
örtlichen Schallgeschwindigkeit ist, meistens ohne weiteres erfüllt ist.