DE1428170B2 - Laeufer fuer einen mehrstufigen radialverdichter - Google Patents

Description

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allgemeinen recht gut ist; dort sind nämlich die schaufehl messerscharf ausgebildet sein, soweit heraxiale Laufradaustrittsbreite und damit die axiale stellungstechnische oder auch betriebstechnische Be-Eintrittsbreite der nachgeschalteten Leitvorrichtung lange dies zulassen.

genügend groß, während für die nachfolgenden Stu- In der Zeichnung sind als Ausführungsbeispiel die

fen trotz kleiner werdender Laufraddurchmesser diese 5 drei zuerst durchflossenen Stufen eines mindestens Breiten von Stufe zu Stufe kleiner werden. Hierin vierstufigen Radialverdichters gemäß der Erfindung liegt der Hauptgrund für die von Stufe zu Stufe im Längsschnitt dargestellt.

schlechter werdenden Wirkungsgrade. Bei geringen Diese drei Stufen sind mit 11, 12 und 13 bezeich-

Verhältnissen von Laufradaustrittsbreite b₂ zu Lauf- net, die zugehörigen Laufräder mit 29, 30 und 31 radaußendurchmesser D₀ (£>JD₂) und auch bei sehr 10 und die Durchströmrichtung der Maschine mit 14. geringen absoluten Werten von b₂ (im Bereich von Die Laufräder 29, 30 und 31 sitzen gemeinsam auf 5 bis 15 mm) ist der Anteil der Grenzschichtdicken der Maschinenwelle 10. Die Außenradien der Laufam Gesamtströmungsprofil überaus groß, so daß der räder 29, 30 und 31 nehmen in Durchströmrichtung Wirkungsgrad erheblich absinkt. 14 ab, was durch die strichpunktierte Linie 27 ge-

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß 15 kennzeichnet ist. Jedes der Laufräder 29 bis 31 ist bei einem Läufer der eingangs erwähnten bekannten von einem feststehenden Leitschaufelkranz (Diffusor) Art dadurch, daß von Stufe zu Stufe die Verhält- umgeben. Diese Leitschaufelkränze sind mit 32 bis 34 nisse des Laufradaußenradius zum Laufradbeschau- bezeichnet. Infolge des abnehmenden Volumens des felungsaußenradius und der axialen Laufradaustritts- Arbeitsmittels werden die Kanalquerschnitte 16, 17 breite zur Laufschaufelaustrittsbreite sowie die radi- 20 und 18 von Stufe zu Stufe enger,
alen Erstreckungen der Umlaufdiffusoren und die Die Erfindung ist nur auf die Stufen 12,13 ff. an-

Diffusorerweiterungswinkel zunehmen. Im Grenzfall angewendet, da, insbesondere bei Grenzleistungsverkann unter bestimmten Voraussetzungen erreicht dichtem, die erste Stufe 11 ohnehin einen guten Wirwerden, daß die axialen Laufradaustrittsbreiten aller kungsgrad aufweist: Die Laufräder 30, 31 ff. weisen Stufen gleich groß bleiben oder aber in Durchström- 25 jeweils einen schaufellosen Diffusorraum 19, 28 ff. richtung der Maschine nur wenig abnehmen. Doch ist auf. Die radialen Erstreckungen 20, 21 ff. der Diffueine solche starke Steigerung der axialen Laufrad- soren bzw. Diffusorräume 19, 28 nehmen in Durchaustrittsbreiten gegenüber der Normalauslegung im Strömrichtung 14, also mit fortschreitender Stufenallgemeinen nicht erforderlich. zahl, bis zu einem Grenzwert zu. Weiterhin nehmen

Die insbesondere aus Gründen der Scheibenreibung 30 in Durchströmrichtung 14 die Diffusorerweiterungserforderliche Abnahme der Laufradaußenradien in winkel 22, 23 ff. bis zu einem Grenzwert von etwa Durchströmrichtung der Maschine gesehen kommt der 90° zu. Das hat zur Folge, daß die relativen axialen genannten Zunahme der Diffusorerweiterungswinkel Verbreiterungen der Leitschaufelkränze 33, 34 gegenzugute, da die abnehmenden Umfangsgeschwin- über dem Normalfall in Durchströmrichtung 14 bedigkeiten«₂ festigkeitsmäßig eine Zunahme dieser 35 deutend vergrößert werden können; gemäß diesem Winkel und sogar Erweiterungswinkel bis zu δ = 90° Ausführungsbeispiel sind die axialen Breiten 15 des gestatten. So große Erweiterungswinkel werden ins- Laufradaustritts und des Leitschaufelkranzes 34 der besondere bei den letzten Stufen angewendet. der Stufe 13 sogar etwa so groß wie die entsprechen-

Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung auch den axialen Breiten der ersten Stufe 11. Damit werdie Pumpgrenze stark herabgesetzt wird und in be- 40 den die Verluste durch die Grenzschichtreibung stimmten Fällen sogar eine Pumpgrenze überhaupt wesentlich herabgesetzt und somit die Stufenwirkungsnicht vorhanden ist. Dies ist dadurch zu erklären, grade erheblich verbessert. Mit dieser Verbesserung daß der umlaufende, schaufellose Diffusor weitest- der Stufenwirkungsgrade wird gleichzeitig der Gesamtgehend unempfindlich ist gegenüber Änderungen der wirkungsgrad der Maschine wesentlich angehoben. Anströmrichtung. Bei mehrstufigen Verdichtern tritt 45 Gleichzeitig werden die anderen genannten Teilaufdas Pumpen zuerst vorzugsweise in den letzten Stu- gaben gelöst.

fen des Verdichters auf. Gemäß der Erfindung wird An die beschaufelten Leitschaufelkränze 32 bis 34

nun gerade zu den letzten Stufen hin das Prinzip des schließen sich übliche Sammelkanäle bzw. -Spiralen umlaufenden Diffusors in verstärktem Maße zur An- 24 bis 26 an. Es kann sich dabei jeweils um zwei wendung gebracht und damit erreicht, daß bei den 50 sich jeweils über 180° erstreckende Spiralen handeln, bisher am meisten gefährdeten Stufen die Pumpgrenze Daran kann sich ein Zwischenkühler anschließen, aus außerordentlich stark herabgedrückt oder sogar be- dem das Arbeitsmittel dann der nächsten Stufe zuseitigt wird. Ein gutes Teillastverhalten, insbesondere strömt. Gerade für mehrstufige Radialverdichter mit dieser Stufen bzw. Räder, wird dadurch erzielt, daß Zwischenkühlung ist die Erfindung von wesentlicher die Laufschaufeln profiliert sind, wobei ihre Profil- 55 Bedeutung. Bei solchen Verdichtern werden die höhe zum Laufschaufelaustritt hin stetig abnimmt. Kanalquerschnitte infolge des wegen der Zwischen-Somit ist die Strömung in den Laufradaustritten der kühlung in Strömungsrichtung 14 noch stärker abletzten Stufen gleichmäßig und geordnet; die ge- nehmenden Volumens des Arbeitsmittels noch stärker nannten Nachlaufdellen, d. h. die ungleichmäßige enger; speziell in den letzten Stufen des Verdichters Verteilung der Austrittsgeschwindigkeit des Laufrad- 60 wird der Grenzschichteinfluß dann sehr stark. Zum stromes, sind bzw. ist praktisch verschwunden. Im Beispiel durch große Diffusorerweiterungswinkel wird Grenzfalle können die Austrittskanten der Lauf- dieser Einfluß weitgehend gemindert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 auch auf den Wirkungsgrad dieser Umsetzung beson- Patentansprüche: derer Wert gelegt werden muß, wenn ein guter Stufengesamtwirkungsgrad erreicht werden soll. Eine Reihe von Messungen und Beobachtungen

1. Läufer für einen mehrstufigen Radialver- 5 hat nun gezeigt, daß bei Radialturboarbeitsmaschinen dichter mit von Stufe zu Stufe abnehmenden der Radwirkungsgrad, der also die Umsetzung der Laufraddurchmessern und umlaufenden, schaufel- kinetischen Energie in statischen Druck hinter dem losen Diffusoren, dadurch gekennzeich- Laufradaustritt nicht umfaßt, bei richtiger Auslegung net, daß von Stufe zu Stufe die Verhältnisse des und Querschnittsbemessung recht hoch ist und meist Laufradaußenradius (35) zum Laufradbeschaufe- io zwischen etwa 84 % und etwa 88 % liegt, während lungsaußenradius (36) und der axialen Laufrad- der Stufengesamtwirkungsgrad beachtlich unter dieaustrittsbreite (15) zur Laufschaufelaustrittsbreite sen Werten liegt. Der Grund für diese Minderung (37) sowie die radialen Erstreckungen (20, 21) ist der, daß der Wirkungsgrad der Umsetzung der der Umlaufdiffusoren (19,28) und die Diffusor- kinetischen Austrittsenergie in statischen Druck erweiterungswinkel (22, 23) zunehmen. 15 schlechter ist als der Radwirkungsgrad.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Aus diesem Grunde hat man bereits den im Laufzeichnet, daß das zweite und die folgenden Lauf- rad zu erzeugenden statischen Druck, und zwar durch räder mit den schaufellosen Diffusoren versehen Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen Difsind. fusors, erhöht, der im Laufrad radial außerhalb der

20 Laufradbeschaufelung vorgesehen und im allgemeinen durch nach außen verlängerte Radseitenwände ge-

bildet ist, wie sich im Prinzip aus den französischen

Patentschriften 1261548 und 1267197 ergibt. Aus (((-diesen Druckschriften ist es schon bekanntgeworden,

Die Erfindung bezieht sich auf einen Läufer für 25 daß die Umwandlung des dynamischen Druckes in einen mehrstufigen Radialverdichter mit von Stufe zu den statischen Druck unter günstigeren Bedingungen Stufe abnehmenden Laufraddurchmessern und um- stattfindet, weil der auf die dem Laufrad nachgelaufenden, schaufellosen Diffusoren. schaltete Leitvorrichtung entfallende Anteil der in

Die Weiterentwicklung solcher Maschinen erstreckt statischen Druck umzusetzenden Förderhöhe versieh hauptsächlich auf die Verbesserung des Ma- 30 ringert ist. Darüber hinaus ist die Strömung im Laufschinengesamtwirkungsgrades über einen möglichst rad selbst weitgehend ausgeglichen, und ferner sind weiten Arbeitsbereich, auf die Herabsetzung der insbesondere die sogenannten Nachlaufdellen prak-Pumpgrenze und ferner auf die Erhöhung der Stufen- tisch verschwunden. Es ist also eine recht gleichförderhöhe im Interesse einer Verminderung des mäßige und geordnete Strömung im Laufradaustritt Leistungsgewichtes und damit der Herstellungskosten. 35 vorhanden, die wiederum die unbedingte Voraus-Die gleichzeitige Erfüllung dieser drei Forderungen setzung für einen guten Wirkungsgrad der dem Laufist recht schwierig und nach geläufiger Auffassung rad nachgeschalteten Leitvorrichtung ist, so daß also nicht ohne weiteres möglich, da wohl Mittel und durch die Anwendung des genannten umlaufenden, Wege bekannt sind, einer dieser Forderungen zu ent- schaufellosen Diffusors auch der Wirkungsgrad der sprechen, deren Erfüllung aber auf Kosten einer der 4° dem Laufrad nachgeschalteten Leitvorrichtung erhöht anderen Forderungen geht. Der Erfindung liegt die wird. Da eine starke Erweiterung des umlaufenden Aufgabe zugrunde, diese drei Forderungen gleich- Diffusors zulässig ist, ohne daß Gefahr der Ablösung zeitig zu erfüllen, wobei die Wirkungsgrade von Stu- der Strömung besteht, so erhält die dem Laufrad fen und/oder Stufengruppen, in Durchströmrichtung nachgeschaltete Leitvorrichtung gegenüber einer nor- (^₁ der Maschine gesehen, nicht so stark wie bisher 45 malen Auslegung eine wesentlich größere axiale Einschlechter werden oder sogar gleich groß bleiben trittsbreite, was den Wirkungsgrad dieser Leitvorsollen, richtung noch weiter erhöht.

Die Schwierigkeiten des Baues von Turboarbeits- Die Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen

maschinen mit gutem Wirkungsgrad und günstigem Diffusors bringt Erhöhungen sowohl des Stufenwir-Pumpverhalten liegen insbesondere in den Vorgängen 50 kungsgrades als auch der Stufenförderhöhe und ferder Ablösung ist durch die Bedingung gegeben, daß ner gleichzeitig eine Herabsetzung der Pumpgrenze, lösungsgefahr und damit die Möglichkeit der Wirbel- Bei einer hochwertig ausgelegten mehrstufigen

bildung mit ihren hohen Verlusten und damit auch Turboarbeitsmaschine werden nun die Laufradaußendas unstabile Arbeiten im Pumpbereich besteht stets durchmesser von Stufe zu Stufe im allgemeinen kleiin Strömungsgebieten mit Druckanstieg. Der Beginn 55 ner. Das erste Laufrad hat den größten Außendurchder Ablösung ist durch die Bedingung gegeben, daß messer und damit die größte Außenumfangsgeschwinder Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Wand digkeit M₂, deren Grenzwert unter anderem vom vergegen Null geht. Von diesem Punkt ausgehend erfolgt wendeten Werkstoff und der konstruktiven Gestalanschließend in bezug auf die normale Strömungs- tung des Laufrades abhängt, aber mit Rücksicht auf richtung eine Rückströmung in Wandnähe und da- 60 die erzielbare Stufenförderhöhe so hoch wie möglich mit eine sehr starke Zunahme der Grenzschichtdicke. liegen sollte. Die Anwendung eines umlaufenden,

Allgemein wird bei mehrstufigen Turboarbeits- schaufellosen Diffusors ist für die erste Stufe also maschinen entsprechend dem Reaktionsgrad der ein- dann recht schwierig, wenn die Außenumfangszelnen Stufen ein wesentlicher Teil des Gesamt- geschwindigkeit M₂ des Laufrades dieser Stufe bereits druckes durch Umsetzung von Geschwindigkeits- 65 die mögliche Grenzumfangsgeschwindigkeit hat. Anenergie in statischen Druck in feststehenden, Lauf- dererseits ist aber eine Anwendung eines solchen rädern nachgeschalteten Leitvorrichtungen (Diffu- Diffusors für die erste Stufe gar nicht unbedingt notsoren) erzeugt. Es ist augenscheinlich, daß gerade wendig, da der Wirkungsgrad der ersten Stufe im