DE2524710B2 - Radialverdichterstufe - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Radialverdichterstufe mit feststehendem Vorleitrad und diesem nachgeordnetem Laufrad, mit Vorleitschaufeln, die derart verwunden sind, daß der Austrittswinkel (die Meridiangeschwindigkeit Cm) von innen nach außen kleiner wird.

Bei derartigen Radialverdichterstufen wird das maximale Schluckvermögen bei vorgegebenem Eintrittsdurchmesser D\„,„dadurch begrenzt, daß bei einer bestimmten Drehzahl η des Laufrades die Meridiangeschwindigkeitskomponente Ci m des in die Eintrittsfläche eintretenden Gases so groß ist, daß die für das betreffende Laufschaufelgitter maximal zulässige relative Eintrittsgeschwindigkeit w\ erreicht wird, wobei

= Αϊ

JO

Bei in der Eintrittsfläche konstanter Meridiangeschwindigkeit C\_m und unverwundenen Vorleitschaufeln (<x\ = konst.) treten die höchsten Relativgeschwindigkeiten am Ort der höchsten Eintrittsumfangsgeschwindigkeit

η

"I max — D\_maxU Π

auf, während weiter zur Nabe hin die relativen Eintrittsgeschwindigkeiten niedriger sind.

Um bei derartigen Radialverdichtern ein maximales Schluckvermögen zu erzielen, ist bereits vorgeschlagen worden, verwundene Vorleitradschaufeln anzuwenden.

Auf diese Weise wird in den einzelnen Stromröhren am Laufschaufeleintritt ein vom inneren zum äußeren Eintrittsdurchmesser zunehmender Gleichdrall erzeugt. Dabei sind unter verwundenen Vorleitradschaufeln solche Schaufeln zu verstehen, bei denen sich die Krümmung jeder Schaufel von der Nabe zur Deckscheibe hin ändert.

Wie bei Axialverdichtern bekannt, läßt sich dadurch eine Zuströmung zum Laufrad nach dem Gesetz r ■ c„ γ = konst. mit γ < 1 (ζ. Β. γ = — 1 »solid body«) erzwingen, bei der eine Verringerung der Meridiankomponente der Gasgeschwindigkeit am Außendurchmesser und eine Vergrößerung der Meridiankomponente am Innendurchmesser auftritt. Dadurch wird i>o erreicht, daß die maximal vorgegebene relative Eintrittsgeschwindigkeit nicht nur am Außendurchmesser auftritt, sondern auch die inneren Schaufelpartien voll genutzt werden.

Bei Radialrädern ohne Vorleitrad sind die relativen < >5 Strömungsgeschwindigkeiten im äußeren Durchmesserbereich des Einlaufes oft nicht nur durch die dort höchsten Eintritts-Umfangsgeschwindigkeiten sehr hoch, sondern es treten dort auch noch gegenüber dem Mittelwert überhöhte axiale Meridiangeschwindigkeiten auf, die durch eine radiale Zuströmung zum Laufradeintritt oder durch Rückwirkungen von den rotierenden Laufschaufeln in die Saugöffnung herrühren können. In diesem Fall wird es nicht immer durch em Vorleitrad gelingen, innen an der Nabe höhere Meridiangeschwindigkeiten als außen an der Deckscheibe zu erzwingen.

Mit der durch das Vorleitrad verursachten Beeinflussung des radialen Gleichgewichtes wird jedoch auch in solchen Fällen am äußeren Eintrittsdurchmesser eine Verringerung der Meridiangeschwindigkeit und damit eine niedrigere örtliche Machzahl der Relativströmung bei vorgegebenen Meridiankanalabmessungen bewirkt.

Beim Radialrad wird durch dieses Verfahren außerdem bewirkt, daß auch die starken Unterschiede in den Verzögerungen wj/wi der Strömung auf den deckscheibenseitigen und nabenseitigen Stromfäden einander angeglichen werden.

Dabei ist jedoch nachteilig, daß bei einer solchen Ausbildungsweise mit einem üblichen Radialverdichterlaufrad mit konstantem Austrittsdrall Ci_u · 1/2, d. h. über der Austrittsbreite konstantem Austrittswinkel /?2 in den einzelnen Stromröhren, unterschiedliche spezifische Verdichtungsarbeit erzeugt wird.

Wie aus der Formel

Y_n = 'in ■ ("2 · c_2y - U\ ■ c\_v)
V_n = , ,[D₂ -™(D₂.„ -

- D₁ ..

ersichtlich ist, würde bei konstanter Meridiangeschwindigkeit cim über der Austrittsbreite an der Deckscheibe durch kleinere Winkel «i in Verbindung mit dem größeren D\ bei konstantem Laufradaußendurchmesser Di und konstantem Laufradaustrittswinkel j?2 eine kleinere spezifische Verdichtungsarbeit auf das strömende Gas übertragen. Um das auszugleichen, müßte sich eine über die Austrittsbreite des Laufrades unterschiedliche Verteilung der Meridiangeschwindigkeit einstellen, die bei Teillast rasch zur Rückströmung an der Deckscheibe führen kann.

Diese Nachteile wurden bereits erkannt und führten nach der GB-PS 7 65 908 zu der Lösung, den Austrittsdurchmesser des Laufrades von innen nach außen, d. h. von der Radscheibe zur Deckscheibe zunehmen zu lassen. Dieselbe Lösung ist auch in der GB-PS 6 89 353 (Fig. 1 und 4) vorgeschlagen worden.

Durch diese bekannte Maßnahme wird zwar innerhalb des Laufrades über den Querschnitt eine gleichgroße Verdichtungsarbeit am Austritt erzielt, es besteht jedoch bei beiden vorgeschlagenen Lösungen der Nachteil, daß die Einströmung in den Diffusor auf Grund ungleicher Weglängen der Stromlinien gestört wirdunddadurch Verluste entstehen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Radialverdichterstufe mit feststehendem Vorleitrad und diesem nachgeordneten Laufrad zu schaffen, bei dem erreicht ist, daß zur Verwirklichung eines maximalen Schluckvermögens die spezifische Verdichtungsarbeit in allen Stromröhren des Laufrades gleichgroß ist, und die Strömungswege im Bereich der Mischzone zwischen Laufradaustritt und Diffusoreintritt gleich sind, und daß dadurch die bei bekannten Ausbildungsformen derartiger Radialverdichterstufen auf Grund ungleicher

Weglängen auftretenden Störungen der Strömung in dem dem Laufrad folgenden Diffusor verhindert werden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Laufrad am Austritt einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigsnden Austrittswinkel β aufweist.

Damit ist erreicht, daß in allen Stromröhren die gleiche spezifische Verdichtungsarbeit

Y= T]h ■ (U₂C₂U - U]Ctu)

übertragen wird, wobei ηι, der Strömungswirkungsgrad, i/i die Umfangsgeschwindigkeit am Eintritt, U₂ die Umfangsgeschwindigkeit beim Austritt, c\_u die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit am Eintritt, C₂U die Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit beim Austritt bedeuten.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verdichterstufe besitzt den Vorteil, den Abströmquerschnitt als Zylinderfläche ausbilden zu können, wodurch sich im Bereich der Mischzone zwischen Laufschaufelaustritt und Diffusorleitschaufeleintritt günstige Anströmverhältnisse für den im allgemeinen auf einer Zylinderfläche anschließenden radialen Diffusor ergeben. Bei den Laufrädern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln treten bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten, bei denen üblicherweise die Deckscheibe weggelassen wird, bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaufelkrümmung geringere Festigkeitsbeanspruchungen als bei Laufrädern mit geneigter Austrittskante auf, weil der freistehende Schaufellappen am Austritt besser gegen die tragende Radscheibe abgestützt ist. Darum besteht ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung des Laufrads.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung dargestellt, u. z. zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Radialverdichter im Querschnitt,

Fig. 2 daraus einen weiteren Schnitt A -A.

Dabei bedeutet

I die verwundenen feststehenden, gegebenenfalls verschwenkbaren Vorleitradschaufeln,

Il die Laufschaufeln.

In Fig. 1 ist eine äußere (a) und eine innere (i) Stromröhre je durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie das Vorleitrad an der äußeren Stromröhre stärker gekrümmt ist als an der inneren Stromröhre, wodurch «la <«i,ist.

Fig.3 zeigt einen weiteren Schnitt B-B aus Fig. 1 Daraus ist ersichtlich, daß der Schaufelaustrittswinkel ίο ß_2a an der äußeren Stromröhre größer ausgeführt ist als der Winkel 02, an der inneren Stromröhre.

Fig.4 zeigt die Unterschiede in den Geschwindigkeitsdreiecken am Laufschaufeleintritt für diese beiden Stromröhren. Dabei bedeutet

u die Umfangsgeschwindigkeit,

c die Absolutgeschwindigkeit,

wdie Relativgeschwindigkeit,

α Winkel der Absolutströmung nach dem Vorleitrad gegen die Umfangsrichtung,

β Winkel der Relativströmung gegen die Umfangsrichtung, bei schaufelkongruenter Strömung gleichbedeutend mit dem Schaufelwinkel.

Index 1 bezieht sich auf den Laufschaufeleintritt.

Index a bezieht sich auf die äußere Stromröhre (siehe Fig. 1),

Index / bezieht sich auf die innere Stromröhre (siehe Fig. 1).

Infolge des größeren Eintrittsdurchmessers ist die jo Umfangsgeschwindigkeit ui„> i/i,. Durch den auf der äußeren Stromröhre kleineren Winkel <x\_a und die außen kleinere Meridiangeschwindigkeitskomponente Ci,,,., wird die Relativgeschwindigkeit im Innenschnitt w\, annähernd so hoch wie im Außenschnitt w\_a.
j> Fig.5 zeigt die Unterschiede in den Geschwindigkeitsdreiecken am Laufschaufelaustritt. Index 2 ist auf den Laufschaufelaustritt bezogen.

Aus F i g. 5 geht hervor, daß der Laufschaufelaustrittwinkel ß_2a auf der äußeren Stromröhre größer •w ausgeführt ist als der Winkel ß₂, auf der inneren Stromröhre, wie bereits aus F i g. 3 erkennbar ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Radialverdichterstufe mit feststehendem Vorleitrad und diesem nachgeordneten Laufrad, mit Vorleitschaufeln, die derart verwunden sind, daß der Austrittswinkel«(die Meridiangeschwindigkeit Cm) von innen nach außen kleiner wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad am Austritt einen von der Radscheibe zur Deckscheibe ansteigenden Austrittswinkel β aufweist.