EP0673469B1

EP0673469B1 - Spiralgehäuse für turbomaschinen

Info

Publication number: EP0673469B1
Application number: EP94919680A
Authority: EP
Inventors: Joachim Kotzur; Franz-Arno Richter; Lubomyr Turanskyj
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1994-07-02
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2014-07-02
Also published as: CN1115995A; UA27944C2; RU2118463C1; JP3184980B2; US5624229A; CN1055739C; EP0673469A1; WO1995008050A1; DE59406025D1; JPH08503284A; DE4331606C1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiralgehäuse für Turbomaschinen mit einer Spirale mit annähernd konstantem Grundkreisdurchmesser r_z, mit einem ersten Teil, in dem der Außenradius r_A der Spirale ausgehend vom kleinsten Spiralquerschnitt über den Spiralenumfang stetig zunimmt bei allmählichem Übergang des Spiralquerschnittes auf einen Kreisquerschnitt, der asymmetrisch zu einem vorgeschalteten Scheibenringraum angeordnet ist, mit einem zweiten Teil, in dem der Außenradius r_A der Spirale bei axialer Verbreiterung des Spiralquerschnittes einen konstanten Wert r_G hat, mit einem Austrittsstutzen und einer zwischen Spirale und Austrittsstutzen angeordneten Spiralenzunge.

Bei dem aus dem Buch "Turbomaschinen, 1989, Hüthig-Verlag, Heidelberg", auf den Seiten 132 und 133 unter dem Kapitel "Spiralgehäuse" bekannten Stand der Technik entsprechend Fig. 1 ist die Spirale mit kreisförmigen Querschnitten und einem vorgeschalteten asymmetrisch zu dem Spiralquerschnitt angeordnetem Scheibenringraum ausgebildet und geht bei Erreichen des Zungenbeginns bei Kompressoren in einen anschließenden Diffusor über, der meist als Kegeldiffusor ausgeführt wird. Der Grundkreisradius r_z ist dabei meist annähernd konstant und entspricht dem Außenradius r_s des in der Spirale angeordneten Scheibenringraumes. Infolge der asymmetrischen Anordnung des Scheibenringraumes und des Kreisquerschnittes entsteht in der Spirale ein strömungsgünstiger Kanalwirbel. Es ergeben sich jedoch bei diesem kreisförmigem Querschnitt relativ große Radien r_{A max}, die insbesondere zu hohen Baukosten führen, wenn die Spirale bei höhen Drücken von einem zylindrischen Außengehäuse umgeben ist, welches dann, bedingt durch r_{A max}, einen großen Innendurchmesser haben muß.

Aus der CH-A-286 975 ist bekannt, ein Spiralgehäuse so auszubilden, daß der Außenradius der Spirale in einem ersten Umfangsbereich der Spirale bis zu einem Maximalwert stetig zunimmt und in einem zweiten Bereich zwischen dem ersten Bereich und einem Stutzen konstant bleibt, wobei in diesem zweiten Bereich die Spiralquerschnitte nur noch in axiale Richtung zunehmen. Dabei wird zwar der Außenradius begrenzt, jedoch ist mit der gezeichneten Querschnittsform nicht der heute erforderliche hohe Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Spiralgehäuse zu schaffen, das die genannten Nachteile des letztgenannten Standes der Technik vermeidet und das sich dadurch auszeichnet, daß bei geringem Bauaufwand ein hoher Strömungswirkungsgrad gewährleistet ist.

Die Lösung der Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale erreicht. Im Unteranspruch 2 werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung beschrieben.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ab Erreichen des konstanten Außenradius r_G der Spirale der Spiralquerschnitt axial beidseitig von je einer Halbkreisfläche mit dem Radius RG = rG - rZ 2 begrenzt wird, wobei zwischen den Halbkreisflächen eine außen und innen bündig abschließende Rechteckfläche 2 R_G . L mit L als axialer Erstreckung der Rechteckfläche angeordnet ist, und wobei die dem vorgeschalteten Scheibenringraum zugewandte Unterseite und die dem Austrittsstutzen zugewandte Oberseite bzw. der Spiralenzunge am Spiralenanfang koaxial verlaufen und die Oberseite bzw. unter Verschwenken zur Achsrichtung der Spirale stetig in die Tangente an der Einmündungsstelle der Spirale in den Austrittsstutzen übergeht.

Eine optimale Druckumsetzung im an den Spiralenteil anschließenden Stutzen ergibt sich, wenn dieser mit gerader Achse ausgeführt wird und stetig von dem ovalen Endquerschnitt des Spiralenteils auf einen Kreisquerschnitt übergeht.

Die hier für einen Kompressor beschriebene Gestaltung des Spiralgehäuses gilt bei Umkehrung der Durchströmungsrichtung auch für das Spiralgehäuse eines Radialexpanders.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1: zwei Schnitte durch eine Kreisspirale mit konstantem Grundkreisdurchmesser nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine Spirale mit erfindungsgemäßer Entwicklung der Spiralquerschnitte,
Fig. 3: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spirale nach Fig. 2,
Fig. 4: die Entwicklung der Spiralzunge im Übergangsbereich zum Enddiffusor im Querschnitt,
Fig. 5: die Entwicklung der Spiralquerschnitte zwischen I - I und II - II im Längsschnitt und
Fig. 6: einen Schnitt durch einen an die Spirale anschließenden Enddiffusor.

Nachstehend werden die o.g. Patentfiguren kurz beschrieben:

Fig. 1: zeigt eine Spirale nach dem Stand der Technik mit konstantem Grundkreisradius r_z. Der vorgeschaltete Scheibenringraum 1 liegt innerhalb der vom Grundkreisradius r_z nach innen begrenzten Spirale 2. Die Spiralquerschnitte nehmen mit zunehmendem Umschlingungswinkel zu und damit auch der Außenradius r_a bis zu einem Wert r_{A max}, nach dessen Erreichen ein Kegeldiffusor 3 anschließt.
Fig. 2: zeigt eine erfindungsgemäße Spirale, bei der im Anschluß an den Scheibenringraum 1 in den Querschnitten I bis III der Spirale 2 eine Entwicklung wie bei der Spirale nach Fig. 1 erfolgt. Eine solche Spirale würde sich bis zum Querschnitt IV mit R_max bis zum Außenradius
r_{A max} erstrecken. Durch die erfindungsgemäße Weiterentwicklung in Form zweier Halbkreise mit dem Radius R_G als axiale Begrenzung und einem dazwischengefügten Rechteck mit der Fläche 2 R_G . L steigt der Außenradius r_A nicht über r_G an.
Fig. 3: zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spirale nach Fig. 4, wobei die verschiedenen Umfangszonen I-II, II-III, III-IV erkennbar sind.
Fig. 4: zeigt im Detail die Zone I-II von Fig. 3 mit der Spiralzunge 4.
Fig. 5: zeigt im Detail die Entwicklung der Spiralzunge 4 im Radialschnitt, deren Oberkante 5 (a - c) sich von der achsparallelen Richtung in Richtung T der Tangente an die kreisförmige Begrenzung des Austrittsstutzens 3 neigt.
Fig. 6: zeigt eine Ansicht von C nach Fig. 5 auf den Austrittsstutzen 3, in dem die Ansicht von A den erfindungsgemäßen ovalen Anfangsquerschnitt und die Ansicht von B den üblichen kreisförmigen Endquerschnitt darstellen.

Claims

Spiralgehäuse für Turbomaschinen mit einer Spirale (2) mit annähernd konstantem Grundkreisdurchmesser r_z, mit einem ersten Teil, in dem der Außenradius r_A der Spirale (2) ausgehend vom kleinsten Spiralquerschnitt über den Spiralenumfang stetig zunimmt bei allmählichem Übergang des Spiralquerschnittes auf einen Kreisquerschnitt, der asymmetrisch zu einem vorgeschalteten Scheibenringraum angeordnet ist, mit einem zweiten Teil, in dem der Außenradius r_A der Spirale (2) bei axialer Verbreiterung des Spiralquerschnittes einen konstanten Wert r_G hat, mit einem Austrittsstutzen (3) und einer zwischen Spirale (2) und Austrittsstutzen (3) angeordneten Spiralenzunge (4),

wobei ab Erreichen des konstanten Außenradius r_G der Spirale (2) der Spiralquerschnitt axial beidseitig von je einer Halbkreisfläche mit dem Radius RG = rG - rZ 2 begrenzt wird,

wobei zwischen den Halbkreisflächen eine außen und innen bündig abschließende Rechteckfläche 2 R_G . L mit L als axialer Erstreckung der Rechteckfläche angeordnet ist, und

wobei die dem vorgeschalteten Scheibenringraum (1) zugewandte Unterseite (b, d) und die dem Austrittsstutzen (3) zugewandte Oberseite (5) bzw. (a, c) der Spiralenzunge (4) am Spiralenanfang koaxial verlaufen und die Oberseite (5) bzw. (a, c) unter Verschwenken zur Achsrichtung der Spirale (2) stetig in die Tangente an der Einmündungsstelle der Spirale (2) in den Austrittsstutzen (3) übergeht.
Spiralgehäuse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ab der Übergangsstelle der Spirale (2) zum Austrittsstutzen (3) ein stetiger Übergang von dem ovalen Querschnitt mit dem Außenradius R_G auf einen Kreisquerschnitt erfolgt.
Spiralgehäuse nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Verwendung des Spiralgehäuses für Radialexpander mit umgekehrter Strömungsrichtung der Austrittsstutzen (3) ein Eintrittsstutzen ist und der vorgeschaltete Scheibenringraum (1) ein nachgeschalteter Scheibenringraum ist.