SE440682B - Stromningsmaskin - Google Patents

Description

åaoosasv-u l5 2 räckligt höga periferi- och absoluthastigheter vid in- resp utlopp.

Den till grund för uppfinningen liggande uppgiften är att vidareutveckla en strömningsmaskin av den i in- ledningen angivna typen på sådant sätt, att man med den kan uppnå en ännu större tryckhöjd.

Denna uppgift löses enligt uppfinningen därigenom, att såväl inlopps- som utloppsöppningarna befinner sig på sama sida av löphjulet.

Vid uppfinningen är således strömningskanalerna så placerade att deras inloppsöppningar befinner sig på samma sida som utloppsöppningarna. Genom denna.utform- ning möjliggörs såväl en centrifugal som en centripe- tal genomströmning av löphjulet. På samma sätt är det möjligt att rikta strömningskanalerna så, att antingen en axiell omföring sker eller inte. Detta är helt av- hängigt tillämpningen och den önskade genomströmningen.

Till följd av in- och utloppsöppningarnas placering sker i strömningskanalerna en omföring av ca 1800 rum i radi- ell riktning. Härigenom uppnås en mycket stor tryckhöjd.

Vid en föredragen vidareutveckling av uppfinningen är det så anordnat att löphjulet har åtminstone en grupp på den ena sidan med in- och utloppsöppningar mynnande strömningskanaler och åtminstone en andra grupp på den andra sidan med in- och utloppsöppningar mynnande ström- ningskanaler.

Genom denna utformning av löphjulet genomkorsas detta av två grupper strömningskanaler, varvid den ena gruppens in- och utloppsöppningar mynnar på den ena sidan och den andra gruppens på den andra sidan. Därvid är det möjligt att ha centrifugal genomströmning av strömningskanalerna i den ena gruppen och ha centripetal genomströmning av strömningskanalerna i den andra gruppen eller ha antingen centrifugal eller centripetal genomströmning av båda gruppernas genomströmningskanaler.

Genom denna utformning uppnås flera fördelar. Om den ena gruppen strömningskanaler tjänar till expandering av arbetsmedlet och den andra till komprimering av detta kyl MÜÉÅSÜWÜ 3 löphjulet bra genom hopsamlingen av dessa båda grupper strömningskanaler, så att höga turbininloppstemperatu- rer utan materialsammanbrott är möjliga. Dessutom före- ligger i det fallet där den ena gruppen strömningskana- ler tjänar till komprimering och den andra gruppen till expandering av arbetsmedlet den fördelen, att de i löp- hjulet befintliga skiljeväggarna mellan strömningskana- lerna kan utnyttjas till direkt energiöverföring. Axeln behöver endast bortföra skillnaden mellan energialstring- en och komprimeringsarbetet.

En sådan utformning lämpar sig för drivanordningar av alla slag som kräver en i tiden synkron drift av kom- pressorer och expansionsmaskiner, exempelvis turbolad~ dare, gasturbiner för fordonsdrivaggregat och liknande.

Vid två steg på en axel kan ledkanalen mellan de mitt för varandra placerade löphjulsöppningarna göras mycket kort och enkel.

En annan föredragen vidareutveckling av uppfinningen ligger i att det finns en grupp strömningskanaler, vars in- resp utloppsöppningar befinner sig på löphjulets mantelyta, medan kanalernas ut- resp inloppsöppningar befinner sig på den ena av de båda sidorna. ?å detta sätt erhålls en delvis radiell genomströmning av löp- hjulet med en omföring av ca 900 i området för in- eller utloppet på den ena av löphjulets båda sidor.

Denna utföringsform kan vara av fördel när det i samma löphjul finns tre grupper strömningskanaler i vilka olika tillståndsändringar äger rum, eftersom det då mellan öppningarna på sidorna och på mantelytan finns stora mellanrum för anbringning av tätningar.

Med tanke på avtätningen inuti strömningsmaskinen är det lämpligt att anordna tätningselement på löphjulet i områdena mellan med olika tryck genomströmmade öppning- ar, vilka tätningselement sträcker sig axiellt in i löp~ hjulet.

Eftersom strömningsvägarna hos labyrinttätningar sträcker sig flera gånger i radiell och axiell riktning inbesparas utrymme i ledkroppen för anbringning av den BGÛSÅST-U A för tätningarna nödvändiga volymen samtidigt som löphju- lets massa minskas. fy Utföringsformer av uppfinningen kommer nu att beskri- vas i det följande med hänvisning till de bifogade rit- ningarna. Fig l visar en radialsektiøn genom en första utföringsform av ett löphjul vid strömningsmaskinen en- ligt uppfinningen med centripetal 9en0mStfÖmnífl9- Fig 2 visar löphjulet enligt fig l framifrån. Fig 3 visar en delsektion längs linjen III-III i fig l. Fig 4 visar en radialsektion genom en andra utföringsform av ett löp- hjul vid strömningsmaskinen enligt uppfinningen. Fig 5 visar löphjulet enligt fig 4 framifrån. Fig 6 visar en delsektion längs linjen VI-VI i fig 4. Fig 7 visar en delradialsektion genom ett löphjul med två grupper ström- ningskanaler. Fig 8 visar en delradialsektinn genom ett löphjul med tre grupper strömningskanaler. Fig 9 visar en delradialsektion genom en tvåstegad enaxelgasturbin med inbyggd kompressor, Fig 10 visar en tvåstegad gas- turbin med två löphjul.

I fig l-3 visas en enligt uppfinningen konstruerad strömnügfimmskü1 med en första utföringsform av ett löp- hjul 2. Löphjulet är skivformigt och är exempelvis me- delst en spårkil 3 vridfast lagrat på en axel 4.

Löphjulet har på inte visat sätt nio strömningskana- ler 5 för genomströmning av ett strömningsmedel. Kana- lerna har inloppsöppningar 6 och utloppsöppningar 7. Av fig 2 framgår att inloppsöppningarna 6 är bildade av slitsar, vilkas hörn kan vara avrundade. Samtliga slit- sar ligger på en med axeln 4 centrumaxel koncentrisk ring; vars medeldiameter i fig 2 är betecknad med D.

Utloppsöppningarna 7 är däremot enligt den i fig 2 visade utföringsformen högre i radiell riktning än in- loppsöppningarna. I omkretsriktningen är de smalare än dessa. Därigenom uppstår en ungefär kvadratisk respek- tive trapetsliknande form vid utloppsöppningarna. Även utloppsöppningarna ligger på en med axelns 4 centrumaxel koncentrisk ring, vars medeldiameter i fig 2 äf*betecknad med d.

BOÛSÅfWP-Ü I det visade fallet är d endast ca en tredjedel så stor som D. Detta betyder att utloppsöppningarna befin- ner sig mycket närmre axeln 4 än inloppsöppningarna. Av speciellt fig l framgår att inloppsöppningarna 6 och ut- loppsöppningarna 7 befinner sig på samma sida 8 av det skivformiga löphjulet 2, medan det på den andra sidan 9 finns vare sig in- eller utløppsöppningar.

För att åstadkomma förbindelsen mellan inloppsöpp- ningen 6 och tillhörande utloppsöppning 7 finns den re- dan angivna strömningskanalen 5 i löphjulets inre. Denna kanal är sammansatt av ett knä 10 intill rotationsaxeln, ett förbindningsavsnitt ll och ett knä 12 på avstånd från rotationsaxeln. Knäet 10 ansluter med en skänkel lOa di- rekt till utloppsöppningen 7. Förbindningsavsnittet ll bildar en ungefär radiellt genomströmmad förbindnings- kanal mellan en skänkel l0b av knäet 10 och en skänkel l2b av knäet 12. Knäet 12 ansluter med en skänkel l2a direkt till inloppsöppningen 6. De båda skänklarna hos ett knä bildar en mellanliggande vinkel på ca 900. Ström- ningskanalerna kan utöver hela sin längd antingen bibe- hålla den av in- resp utloppsöppningarna präglade, rek- tangulära tvärsnittsformen eller i anslutning till dessa öppningar efter övergång vara runda eller ovala.

I fig l visas medelst pilen P att löphjulet genom- strömmas i centripetal riktning. Uppfinningen är dock inte begränsad till löphjul med centripal strömning utan täcker även löphjul med centrifugal genomströmning.

I fig 3 visas en delsektion genom löphjulet enligt fig 1 längs linjen III-III i denna figur. I löphjulets mitt syns tydligt det i det föreliggande fallet väsent- ligen radiellt riktade förbindningsavsnittet ll, vilket vid detta ställe har oval tvärsektion.

Strömningskanalens fortsatta förlopp visas med strec- kade linjer. Det framgår att strömningsmedlet inströmmar i området för ínloppsöppningen 6 med relativhastigheten w.

På inloppssidan är motsvarande hastighetstriangel inritad.

Relativhastigheten w är så riktad, att medlet vid sin in» strömning i löphjulet upptas av detta och tillförs ström- aoosasvfu 6 ningskanalen utan väsentliga förluster. I hastighetstri- angeln anges också periferihastigheten u,absoluthastig~ heten c liksom relativhastighetens w tangentialkomponent w. och axialkomponent wa. På utloppssidan vid öppningen 7 framgår att strömningsmedlet utsatts för en axiell om- föring vinkelnzß . Denna vinkel ligger i det visade fal- let ungefär vid 90°. Även på utloppssidan visas en hastighetstriangel med relativhastigheten w, periferihastigheten u och absolutt hastigheten c. Även relativhastighetens w tangentialkom~ ponent Wu och axialkomponent wa visas.

Det framgår att tangentialkomponenterna wu på in- och utloppssidorna är riktade åt samma håll, medan re- lativhastighetens axialkomponent wa på inloppssidan är motriktad axialkomponenten wa på utloppssidan.

Av det ovanstående framgår att man vid det i fig l-3 visade löphjulet får inte bara en axiell omföring vinkeln zfiutan även en ungefär 1800 omföring i radiell riktning.

Detta framgår speciellt tydligt av fig l, där inlopps- strömningen är markerad med pilen B och utströmningen på utloppssidan är markerad med pilen C. Pilen C är mot~ riktad pilen B. Medan denna utformning erhålls en mycket stor tryckhöjd i löphjulet.

I fig 4, 5 och 6 visas en andra utföringsform 13 av ett löphjul för en strömningsmaskin enligt uppfinningen.

Eftersom denna andra utföringsform skiljer sig från den första utföringsformen på endast några få punkter kommer i det följande endast skillnaderna att beskrivas. I öv- rigt hänvisas till beskrivningen av den första utförings- formen. Samma delar har samma hänvisningsbeteckningar. Även vid den andra utföringsformen har man centripe- tal genomströmning av strömningskanalerna. Inloppsöpp- ningarna 6 befinner sig precis som vid utföringsformen enligt fig l-3 på ett radiellt större avstånd D från ro- tationsaxeln A än utloppsöppningarnas 7 avstånd d däri- från. Även här mynnar strömningskanalerna med sina in- och utloppsöppningar på löphjulets ena sida 8.

En skillnad gentemot den första utföringsformen är att ÜÛÛSÅEWG 7 strömningskanalernas in- och utloppsöppningar är sä rik~_ tade att in- och utströmningen sker i samma riktning. I fig 6 visas att det radiellt yttre omföringsknäet l2 och det radiellt inre omföringsknäet 10 är så riktade med sina mot tillhörande öppningar riktade skänklar l0a och l2b, att dessa skänklar är riktade åt samma håll, såsom anges med vinkeln a i fig 6. För såväl in- som utström- ningen finns det en hastighetstriangel. Den närmast löp~ hjulet 'iflritade hastighetstriangeln hänför sig till in~ strömningen. Relativhastigheten w, periferihastigheten u och absoluthastigheten c framgår tydligt. Relativhastig~ heten visas också i sina axialkomponenter wa och periferi~ resp tangentialkomponenter Wu.

Samma beteckningar har använts för den till utström- ningen hörande hastighetstriangeln. Det framgår att rela~ tivhastigheten på utloppssidan visserligen precis som re- lativhastigheten på inloppssidan sträcker sig i den genom vinkeln a givna linjen men att dessa relativhastigheter dock här är motriktade. Det gäller därför att inse att såväl tangentialkomponenterna wu som axialkomponenterna wa hos relativhastigheten är motriktade på in- och ut- loppssidorna. Även denna utföringsform av löphjulet 13 garanterar en stor tryckhöjd. Givetvis finns det mellan~ former mellan å ena sidan utföringsformen enligt fig l"3 och å andra sidan utföringsformen enligt fig 4-6.

I fig 7 visas ett löphjul 14 med två grupper ström~ ningskanaler l5 och 16. Den principiella uppbyggnaden av löphjulet liknar den av de i fig l~6 visade löphjulen 2 och 13. Av detta skäl har återigen samma hänvisninga- beteckningar använts för samma delar. Skillnaden gente~ mot de tidigare beskrivna utföringsformerna ligger dock i att de båda grupperna strömningskanaler 15 och 16 är anordnade rygg mot rygg i en gemensam löphjulskropp.

Det visade löphjulet är avsett för en turbukozngjzres» sor, i vilken avgaser används för att åstadkomma den för förbränningsmotorn önskade komprimeringen av arbetsmed~ let.

För detta ändamål genomströmmas strömningskanalerna aonsàsv-n 8 i grupp 15 i centrifugal riktning medan strömningskana- lerna i grupp 16 har centripetal genomströmning. Genom gruppen 16 leds nämligen de expanderande avgaserna, me- dan arbetsmedlet komprimeras med hjälp av gruppen 15.

Av fig 7 framgår att inloppsöppningarna 6 i grupp har ett radiellt kortare avstånd till rotationsaxeln A än utloppsöppningarna 7. Nu är fallet det att skän- keln l0a i grupp 15 är riktad mot inloppsöppningen 6 me- dan omföringsknäets l2 skänkel l2a är riktad mot utloppe- öppningen 7.

Den centrifugala strömningen anges med pilen P.

Detta gäller också för grupp 16.

I det föreliggande fallet har löphjulet en radiell delningsfog 17 och är löphjulet därigenom sammansatt av två delar vilka är hopmonterade rygg mot rygg. Därvid har löphjulets ena del gruppen 15 med sina på sidan 9 'anordnade in- och utloppsöppningar 6, 7, medan löphju- lets andra del har gruppen l6 med dennas in- och utloppe- öppningar 6, 7 på den andra sidan 8.

Löphjulet är lagrat på en stillastående axel 18 som på det befintliga lagerstället har en ungefär dubbelko- nisk förtjockning 19. Löphjulet har motsvarande koniska löpytor 20 och 21 med vilka det löper på axelns förtjock- ning. Lagret är utformat som gastrycklager. Medelst en med streckade linjer visad matarledning 22 inpressas gas under tryck i den härför avsedda fördelningskammaren 23.

Löphjulet 14 är utan radiell inkapsling vid ström- ningskanalernas ytterområden- Det finns för detta ända- mål ett hus 24 som radiellt utåt omsluter löphjulets 14 rörelsespel. För avtätning mellan strömningskanalerna i grupp 15 och de i grupp 16 finns det en tätning 25 som sträcker sig radiellt in i löphjulet l4. På samma sätt finns det mellan de båda gruppernas 15 och l6 in- och utloppsöppningar 6, 7 tätningar 26. Genom utelämnandet av den radiella inkapslingen uppnås vid den visade tur- bokompressorn ett fördelaktigt litet masströghetsmoment.

I fig 8 visas ett löphjul 27 för en gasturbin. Även _här gäller att samma hänvisningsbeteckningar används för BÛÛSIü-"INÜ 9 samma delar. Löphjulet 27 är roterbart lagrat på axeln 4 medelst kullager och har totalt tre grupper strömnings- kanaler, nämligen komprimeringsgruppen 28, komprimerings~ gruppen 29 och expanderingsgruppen 30.

Strömningskanalerna i grupp 28 mynnar med sina in* och utloppsöppningar på den vänstra sidan av löphjulet, medan de båda gruppernas 29 och 30 in- och utloppsöpp- ningar befinner sig på löphjulets högra sida.

Strömningsförloppet inuti löphjulet 27 skall beröras i korthet. Via kanalen 31 tillförs luft till såväl en mellankylare 32 som grupp 28 för brännkammaren. I grup- pen 28 åstadkoms genom en centrifugal.strömning i ström~ ningskanalerna 5 en komprimering av luften. I anslutning därtill leds den komprimerade luften efter att ha lämnat utloppsöppningarna 7 till mellankylaren 32 via en kanal 33 och därefter inloppsöppningarna 6 för strömningskanalerna i grupp 29. I dessa strömningskanaler åstadkoms en cen- trifikml.genomströmning. Luften komprimeras ytterligare.

Den lämnar utloppsöppningarna i denna grupp och matas via en kanal 34 till brännkammaren 35. Det förbrukade strömningsmedlet leds därefter via en kanal 36 till de radiellt yttre inloppsöppningarna 6 hos strömningskana~ lerna i grupp 30, varefter medlet efter genomströmning av strömningskanalerna i centripetal riktning kan expan- dera och kan lämna dessa strömningskanaler via de radi~ ellt inre belägna utloppsöppningarna 7.

Det må påpekas att strömningskanalerna i grupp 29 befinner sig i löphjulet inom det utrymme, som kvarblir genom den krökta böjningen av strömningskanalerna i grupp 30.

Fig 9 visar en tvåstegad strömningsmaskin med två på axeln 4 monterade löphjul 37 och 38.

Strömningen genom maskinen anges med strömningspilar.

Det framgår tydligt att de båda löphjulen 37 och 38 på~ minner om löphjulet 14 i fig 7. Dock finns det en radi~ ell inkapsling av löphjulen 37 och 38.

Strömningsmedlet leds vid denna strömningsmaskin genom två mellankylare 39 och 40 och en brännkammare 35. aoosasv-u Uï På ritningen visas också tydligt de såväl i radiell som i axiell riktning i löphjulen inskjutande tätnings- elementen 41.

I fig 10 visas också schematiskt en tvåstegad gas- turbin med två löphjul 42 och 43, varav det sistnämnda är vridfast monterat på axeln 4 medan löphjulet 42 är fritt roterbart lagrat på axeln 4. Även i fig 10 visas strömningen genom maskinen medelst strömningspilar. Tillförseln av strömningsmedlet börjar vid pilen X, medan utloppet är markerat med pilen Y. Den befintliga mellankylaren är betecknad med 44, medan bränn- kammaren är betecknad med 35 och en avgasvärmeväxlare är betecknad med 45. Det framgår tydligt att löphjulet 42 har två komprimeringssteg, nämligen ett av gruppen 46 bildat steg och ett av gruppen 47 bildat steg. På samma sätt har detta löphjul ett expansionssteg 48 med radiell inströmning. Detta betyder att inloppsöppningarna 49 för strömningskanalerna i grupp 48 befinner sig på löphjulets 42 mantelyta. Efter en omföring ca 900 sker dock vid ut- loppsöppningarna 50 en utströmning mot löphjulets sida 51. Strömningskanalerna i grupp 48 bildar ett expansions- steg. i Löphjulet 43 bildar med sina centripetalt genomström- made strömningskanaler likaså ett expansionssteg.

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 8005113743 ll PATENTKRAV l. Strömningsmaskin med åtminstone ett väsentligen skivformigt löphjul, som har strömningskanaler för ett strömningsmedel, vilka kanalers in- och utloppsöppning~ ar finns på löphjulets sida, varvid samtliga inloppsöpp- ningar har ett förutbestämt avstånd från rotationsaxeln vilket skiljer sig från utloppsöppningarnas avstånd från rotationsaxeln och varvid varje strömningskanal har ett radiellt yttre och ett radiellt inre omföringsknä med två skänklar var, vilka bildar en mellanliggande vinkel på ca 900, varvid en skänkel på det ena knäet sträcker sig fram till inloppsöppningen och förlöper i riktningen för relativhastigheten på den där rådande inloppsström- ningen av strömningsmedlet och en skänkel på det andra knäet sträcker sig fram till utloppsöppningen och för- löper i riktningen för relativhastigheten på utlopps~ strömningen, medan respektive andra skänkel är riktad mot ett gemensamt, huvudsakligen radiellt förbindnings- avsnitt, som förbinder de båda omföringsknäna med var- andra, k ä n n e t e c k n a d därav, att såväl in- som utloppsöppningarna (6, 7) befinner sig på samma sida av löphjulet (2; 13; 14; 27; 37, 38; 42, 43).

2. Strömningsmaskin enligt krav l, k ä n n e.t e c-k - n a d därav, att löphjulet (14; 27; 37, 38; 42, 43) har åtminstone en grupp (l5; 28; 46) på den ena sidan (9) med in- och utloppsöppningar (6, 7) mynnande strömninge- kanaler (5) och åtminstone en andra grupp (l6; 29; 30; 47) på den andra sidan (8) med in- och utloppsöppningar (6, 7) mynnande strömningskanaler (5).

3. Strömningsmaskin enligt krav 2, n a d därav, att det finns en grupp (48) strömningskana- ler (5), vilkas in- resp utloppsöppningar (49) befinner sig på löphjulets{(43) mantelyta, medan deras in- resp utloppsöppningar (50) är anordnad på en av de båda sidor- na (51).

4. Strömningsmaskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k - soosusv-0 _ 12 k ä n n e t e c k n a d därav, att det på löphjulet (2; 13; l4; 27; 37, 38; 42, 43) i områdena mellan med olika tryck genomströmmade öppningar (6, 7) finns tätningsele- ment (26; 4l), vilka sträcker sig axiellt in i löphjulet. 5 '

5. Strömningsnaskin enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a-d därav, att strömningskanalerna (5) åtminstone i löphjulets ytterområde saknar radiell inkapsling.