DE3127214A1

DE3127214A1 - "ueberschallverdichter"

Info

Publication number: DE3127214A1
Application number: DE19813127214
Authority: DE
Inventors: Gilbert 91120 Palaiseau Kergreis; Yves Ribaud
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1982-03-25
Also published as: DE3127214C2; CH642148A5; FR2487018A1; US4445816A; GB2079853A; FR2487018B1; GB2079853B

Description

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den Flächen begrenzt wird, die im Gehäuse des Diffusors angeordnet sind und sich durch sie Spalte in die Schaufelzwischenkanäle öffnen.

7. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumina, welche den beiden Registern von Spalten zugeordnet sind, durch Durchgänge (27) quer durch die Diffusorschaufeln verbunden sind.

8. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärvolumina einen Bruchteil von ungefähr 0,6 % des Volumens stromabwärts des Diffusors bis zu einer Gegendruckdrossel (29) aufweisen.

9. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor Schaufelblätter trägt, deren Neigung nach hinten in der Ausgangszone wenigstens 30° beträgt.

PATENTANWÄLTE MEINKE UND DABRINGHAUS

ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS ■ MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEES

DIPL-ING. J. MEINKE DIPL-ING. W. DABRINGHAUS

4600 DORTMUND 1, ^ ~ ^LI 1981

WESTENHELLWEG 67

TELEFON (02 31) 14 5810 TELEGFRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat d

AKTEN-NR.:

45/3878

Anmelderin : OFFICE NATIONAL D¹ETUDES ET DE RECHERCHES

AEROSPATIALE (O.N.E.R.A.) Organisme Officiel de Recherches Techniques France, 29, Av. de la Division Leclerc, 92320 Chatillon-sous-Bagneux (France)

Bezeichnung : "überschallverdichter"

Die Erfindung betrifft überschallverdichter, die einen Schaufeldiffusor und einen Rotor, dazu geeignet, um dem Fluid eine absolute Geschwindigkeit wenigstens gleich einer Machzahl von 1,2 im Nennarbeitspunkt des Diffusors zu verleihen, aufweisen, wobei der Diffusor eine Mehrzahl von Schaufeln in einem Gehäuse trägt, die regelmäßig winklig verteilt sind und Zwischenschaufelkanäle begrenzen, die stromabwärts der Vorderkanten der Schaufeln einen Kragen bzw. Hals bilden, wobei jeder Schaufelzwischenkanal mit zwei Wandspalten versehen ist.

Die Erfindung findet eine besonders wichtige Anwendung auf dem Gebiet der Zentrifugalkompressoren bzw. Verdichter, die praktisch allein z. Zt. auf dem Gebiet des Überschalls im Stator Anwendung finden. Es wird folglich eine wesentliche Frage dieser Zentrifugalkompressoren sein. Dennoch ist die Erfindung in gleicher Weise geeignet, bei Diffusoren angewendet zu werden, welche Gleichrichter von Axialkompressoren bilden, die mit überschallströmung beaufschlagt sind und ein Druckverhältnis auf höherem Niveau, typischerweise höher als 2, haben.

Man weiß, daß die Zentrifugal-überschallverdichter es ermöglichen, eine wesentliche Förderung (Leistung) an gegebener Frontalstauung und ein erhöhtes Druckverhältnis zu erreichen, welches 10 erreicht und überschreitet. Aber

hierzu ist es nötig, daß die Periphergeschwxndigkeit beträchtlich ist, typischerweise in der Größenordnung von 600 m/s für Druckverhältnisse in der Größenordnung von 10 im Falle von Luft im Bereich des AusgangsStrahlers des Rotors.

Um eine erhöhte spezifische Leistung (Verhältnis der Volumenleistung im Frontalbereich der Rotorscheibe) zu erhalten und ein erhöhtes Druckverhältnis, (z. B. 10) muß die Relativgeschwindigkeit am Ende der Schaufeln am Eingang des Rotors beträchtlich supersonisch (über der Schallgeschwindigkeit) sein. Im betrachteten Falle und im Falle, daß der Rotor Schaufeln aufweist, deren Verhältnis zwischen Ausgangs strahl und Kopfstrahl im Ringanp; = 1,5 ist, wird die Machzahl relativ zum Eintritt an der Flügelspitze in der Größenordnung von 1,3 sein.

Die Existenz von Zonen am Diffusoreintritt, wo die absolute Geschwindigkeit supersonisch ist, begrenzt in beträchtlicher V/eise den Variationsbereich (plage de variations) der Volumenleistung, welches man dem Diffusor auferlegen kann und folglich den Volumenleistungsbereich des Verdichtereintrittes. Das Vorhandensein von Zonen, in denen die Relativgeschwindigkeit am Ehgang des Rotors supersonisch ausgebildet ist_}tendiert in gleicher Weise dazu, den Volumenleistungsbereich zu begrenzen, aber diese

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Begrenzung ist weniger zwingend als die vorangehende, da die Strömung am Kragen der Zwischenschaufelkanäle des Diffusor s sich ausbildet.

Diese erste Begrenzung ist derart, daß, sobald man Machzahlen erreicht, die 1,25 am Diffusoreintritt erreichen, der Volumenleistungsbereich vollständig verschwindet
und der Kompressor nur noch als ein solcher mit vorbestimmter Leistung arbeiten kann.

Man kennt bereits Verdichter des oben definierten Typs
(US-PS 4 131 389), die Wandspalte aufweisen, aber diese
Spalte sind stromaufwärts vom Kragen angeordnet und sehr eng, sie haben daher nur den Sinn und Zweck die Grenzschicht abzusaugen oder die Drücke auszugleichen.

Die vorliegende Erfindung sieht die Schaffung eines überschal-1 Verdichters vor und insbesondere eines Zentrifugalkompressors, dessen Diffusor ein Fluid in einer Geschwindigkeit empfängt, die bei normalen Bedingungen die Machzahl von 1,2 typischerweise überschreitet und einen beträchtlichen Leistungsbereich aufweist. Die Erfindung sieht in gleicher Weise die Möglichkeit einer Selbstanpassung des Rotors am Difflsor vor, wenn der Verdichter als Zentrifugaltyp in einem variablen Bereich arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen
unten definierten Verdichter vor, entsprechend der Eigenschaft, die im Anspruch 1 charakterisiert ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine repräsentative Kurve der Änderung des Wirkungsgrades E (Verhältnis zwischen dem statischen Druck des Ausganges und dem Haltedruck des Einganges) eines herkömmlichen Diffusors in Funktion von der Volumenleistung Q V am Eingang im Leerlaufbetrieb des Diffusorsj

Fig. 2 ein repräsentatives Schema der Strömungsbedingungen in einem klassischen Diffusor im Leerlaufbereich, mit begrenzter Leistung,

Fig. 3 ähnlich den Fig. 1 und 2 entsprechend bei Ansaug- und k

betrieb,

Fig. 5 ähnlich wie die Fig. 2 und 4 die Anordnung eines Spaltes in einem Verdichter nach der Erfindung,

Fig. 6 in großem Maßstab einen Ausschnitt aus Fig. 5,

Fig. 7 Ansichten bzw. einen Schnitt, der der Lauffläche und 8

und einem Meridialschnitt folgt, die ein erstes Ausführungsbexspiel gemäß der Erfindung zeigen,

Pig. 9 ähnlich Pig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Pig.10 ein Prinzipschema, welches den Ort des Rekompres sionsstoßes in bezug auf die Spalte zeigt bei ei nem erfindungsgemäßen Verdichter im stationären Bereich,

Pig.11 ähnlich Fig. 10, die alternativ angenommenen Lagen und 12

des Rekompressionsstoßes .im instationären Bereich und in

Pig. 13 eine Kurve, welche die Veränderung der Druckverhältnisse in einem Verdichter zeigt in Punktion der verminderten Leistung.

um die Erfindung besser verstehen zu können, wird zunächst an die Strömungsbedingungen erinnert, welche man in einem überschallverdichter antrifft und die Pakten, welche die "Leistungsfläche" begrenzen.

Die Gestalt der Strömung im Eingangsbereich eines Schaufeldiffusors eines Überschall-Zentrifugal-Kompressors ändert sich ganz wesentlich, wenn die Machzahl am Eingang ansteigt und ungefähr 1,25 überschreitet.

Solange die Machzahl mäßig bleibt, ζ. B. in der Größenordnung von 1,2, zeigt die Kurve der Änderungen des Wir-

kungsgrades E des Diffusors in Abhängigkeit von der Volumenleistung am Eingang einen Verlauf, wie er in Fig. dargestellt ist. Man sieht, daß es einen mögliehen Variationsbereich der Volumenleistung gibt, welcher typiseherweise in der Größenordnung von 8 % ist zwischen der Grenzleistung Q_Q und der Pumpleistung Q_p, wobei diesseits von jenem Strömungsinstabilitäten erscheinen, die für einen guten Kompressorbetrieb schädlich sind.

Bei dieser Betriebsweise erscheinen die losgelösten Stoßwellen 11 stromaufwärts von den Vorderkanten 12 der Schaufeln 13. Stromabwärts von diesen Wellen 11 wird die Strömung supersonisch. Der Betrieb des Diffusors wird dann als "leerlaufmäßig bzw. entwässert" bezeichnet.

Die Grenzleistung Q~ ist daher durch die Anwesenheit von überschallbedingungen im Bereich des Diffusorkragens begrenzt. Für diese Grenzleistung (z. B. Punkt A in Fig. 1) wird die Strömung in dem divergierenden Teil des Schaufelzwxschenkanales 14 supersonisch, d. h. vom Bereich des Kragens S_c an bis zum Auftreten von Pseudorekompressionsstößen, deren Lage und folglich deren Intensität eine Funktion der Regelung des Gegendruckes mit Hilfe einer Drossel am Ausgang des Diffusors ist. Stromabwärts von diesen Pseudostößen wird die Geschwindigkeit wieder supersonisch.

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Solange die Strömung am Kragen im Schallgeschwindigkeitsbereich ist, bleiben die Bedingungen stromaufwärts davon, insbesondere die Lage der losgelösten Schockstoßwelle 11 invariabel.

Wenn man den Gegendruck durch Aktion auf die Drossel anhebt, steigen die Rekompressionsstöße 15 wieder bergauf und ihre Intensität verringert sich. Für einen ausreichenden Gegendruck verschwinden diese Stöße am Kragen und ein zusätzliches Ansteigen läßt in stetiger Art und Weise eine Strömung erscheinen, deren Machzahl am Kragen kleiner als "1" wird und sich progressiv verringert. Die Volumenleistung des Diffusors verringert sich in stetiger Weise, was dem Segment BC auf der Kurve in Pig. I entspricht. Aber die Leerlaufstoße 11 oszillieren daher um eine Gleichgewichtslage, die mehr und mehr ungewiß wird bis zum Auftreten des Pumpens für die Leistung Q_p.

Wenn im Gegensatz hierzu die Machzahl am Eingang des Diffusors größer ist als vorher, z. B. größer als 1,25, ist die Eingangsströmung supersonisch, wenigstens bis zum Kragen des Diffusors und bleibt so folglich in dem divergierenden Bereich erfaßt zwischen dem Kragen und den Rekompressions-Pseudostößen 15'· Man sagt daher, daß der Diffusor "geflutet" ist.

In der stromaufwärts gelegenen Zone des Diffusors erschei-

nen daher obligatorische Stoßwellen 16, angeheftet an den Vorderkanten 12 und von mäßiger Intensität. Die Volumenleistung des Kompressors ist daher invariabel und die Charakteristik E (Q_v) ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Wenn daher der Rekompressbnsstoß 15^f wieder in die Nähe des Kragens durch Erhöhung des Gegendruckes wandert, bleibt seine Intensität begrenzt und es ist nicht möglich, durch kontinuierliche Verminderung der Leistung Q_v von einem "gefluteten" Strömungsbild in ein "entwässertes" Strömungsbild hinauszugehen. Jedes zusätzliche Anwachsen des Gegendruckes läßt den Rekompressionsdruck des Diffusors stromaufwärts hinausgehen, vras oben das Pumpen auslöst.

Dies tritt nur auf, wenn die Machzahl in der Nähe der Grenze zwischen "gefluteter" Strömung und "entwässerter" Strömung ist, für M = 1,25 ungefähr, wenn das Vorhandensein von turbulenten Grenzschichten am Kragen, die eine Stärke als Funktion des Gegendruckes aufweisen, es ermöglicht, den "Entwässerungs"-Stoß auf einen Leistungsbereich zu stabilisieren, der gleichwohl sehr niedrig ist, nicht 5 % übersteigend.

Im Gegenteil weist der Rotor einen Volumenleistungsbereich auf, der sehr viel beträchtlicher ist als derjenige des Diffusors, da die Relativgeschwindigkeit des Eintritts sich langsam zwischen dem Kopf der Schaufel, für welche sie supersonisch ist, und dem Schaufelfuß, für welche

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sie häufig subsonisch (von 1,4 bis 0,7 z. B.) ist, sich langsam ändern. Der Variationsbereich der Volumenleistung ist häufig in der Größenordnung von 30 %. Wenn er niedriger ist als derjenige der tranzsonischen und subsonischen Rotoren bleibt er dennoch ausreichend für viele Verwendungsfälle und in jedem Falle zeigt er, daß die Begrenzung des Leistungsbereiches essenziell vom Diffusor abhängig ist.

Nachfolgend sind unterschiedliche Lösungen entsprechend der Erfindung beschrieben, die es ermöglichen, einen Leistungsbereich bzw. eine Leistungskennlinie einem Diffusor zu geben, wie es in den Figuren 2 und 4 gezeigt ist.

Alle diese Ausführungsbeispiele weisen für jeden Schaufelzwischenkanal 14 zwei wandseitige Spalte auf, welche rittlinks zum aerodynamischen Kragen angeordnet sind. Dieser Kragen kann wegen der Verdickung der Grenzschicht in Strömungsrichtung nicht genau mit dem geometrischen Kragen vereinigt werden. Sie ist immer jedesmal sehr nahe und die Bedingung wird,vorgegeben durch die notwendige Länge für die Schlitze, in Strömungsrichtung immer erfüllt, wenn man den Schlitz ungefähr symmetrisch in bezug auf den geometrischen Kragen anordnet.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine mögliche Stelle eines Schlitzes 17. Dieser befindet sich rückwärtig von der Eingangszone des Diffusors, entsprechend zu dem von dem Bogen 18 überdeckten Bereich, begrenzt durch die gestrichelte Linie 19 und in die Zone des Kragens eingreifend, wo der Kanal parallele oder in einem sehr geringen Maße divergierende (in der Größenordnung von 2 .z. B.) Flächen aufweist, um die Verdickung der Grenzschicht zu kompensieren. Der Schlitz 17 steht in gleicher Weise über einen divergierenden Bereich des Kanales über, vom Kragen S an, dessen Divergenz <sL

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im allgemeinen in der Größenordnung von 5° ist.

Jeder Schlitz 17 füllt im allgemeinen die Gesamtheit der Breite des Kanales auf. Die Länge "1" in Strömungsrichtung ist gleich oder größer als die Hälfte der Ganghöhe des Diffusors. Auf diese Art und Weise ist die Gesamtdurchtrittsflache, welche von den Schlitzen 17 bereitgestellt wird, wenigstens gleich der minimalen Durchtrittsfläche des Diffusors. Dies wird vorteilhafterweise in der Weise realisiert, daß die Länge des Kragenbereiches, die von der Linie 19 bis zur Minimumsektion S geht, ungefähr gleich der Hälfte der Länge des Kanals vom Ende bis zur Eintrittszone ist.

/S

Die Schlitze, die auf der gleichen Seite des Kanales angeordnet sind, sollen alle mit einem Dämpfungsvolumen verbunden sein. Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in den Figuren 7 und 8 gezeigt ist, umfaßt das Dämpfüngsvolumen, welches jedem Register von Spalten zugeordnet ist, zwei parallele Sekundärkanäle an den Schaufelzwischenkanälen, d. h. leicht divergent und durch ringförmige Nuten verbunden.

Man sieht auf den Figuren 7 und 8, daß die Schlitze IJ₃ welche auf der Seite der Welle 21 des Rotors 25 sind, sich je in einem Sekundärkanal 22 öffnen, der in dem Gehäuse 20 des Kompressors angeordnet ist. Diese Sekundärkanäle öffnen sich in eine ringförmige, peripherische Nut 23, die allen den Kanälen 22 gemeinsam ist. ■ ■ ■ .

In ähnlicher Weise öffnen sich die Schlitze 17a, die auf der Seite 24 des Rotors 25 angeordnet sind in Sekundärkanäle 22a, die hinaustreten in eine peripherische, ringförmige Nut 23a. Durch Löcher 27 (Fig. 7) stehen die ringförmigen Nuten 23 und 23a in Verbindung. In Abwandlung davon kann vorgesehen sein, daß die Löcher 27 fehlen.

Der gerade Querschnitt der Passagen, die so die Spalten einen mit dem anderen verbinden, muß in der Weise dimensioniert sein, daß sich überhaupt keine Stoßwelle bildet. Hierzu ist es notwendig, daß die Durchtritts-

flächen an jeder Stelle wenigstens gleich dem Querschnitt des Spaltes sind. Damit andererseits jedes Register von Spalten 17, 17a, während eines kurzen Augenblickes die gesamte Strömungsmenge ableiten kann, welche die entsprechenden Schaufelzwischenkanäle 14 durchströmt, versieht man vorteilhafterweise zwei Spalte mit einem Querschnitt, welcher höher ist als derjenige des Kanales am Kragen, typischerweise 20 % größer. Andererseits ist es wünschenswert, daß die Spalte 17 und 17a wenigstens annähernd symmetrisch einer zum anderen in bezug auf die Meridianebene des Kanales ausgerichtet sind.

In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Fig. 9 dargestellt ist, münden die Spalte 17 und 17a nicht mehr in Sekundärkanäle, sondern in entsprechende ringförmige Sekundärräume 28 und 28a, begrenzt durch rechtwinklig zur Rotationsachse stehende Ebenen. Diese Volumen sind ferner im Gehäuse auf der Rotawellenseite und auf der Rotoreingangsseite ausgespart und über Durchgänge verbunden, deren Durchtrittsfläche wenigstens gleich derjenigen der Spalte ist.

Bei beiden Ausführungsbeispielen benutzt man ein Se-· kundärvolumen der gleichen Größenordnung, welches vorteilhafterweise in der Größenordnung von 6-Tausendstel des Volumens an der Talseite des Diffusors ausmacht, gerechnet gerade bis zur Regulierdrossel für den Gegendruck oder bis zum Verteiler der Turbine, wenn

der Verdichter eine Gasturbine speist.

Auf der Fig. 7 trägt der Rotor Flügel, welche im Ausgangsbereich radial ausgerichtet sind. Tatsächlich ist eine saLche Anordnung nur dank der Wirkungsweise in Übergeschwindigkeit zufriedenstellend. Außerhalb der Fälle,' in welchen der Rotor in variabler Geschwindigkeit gehalten ist und geeignet ist, häufig in Übergeschwindigkeit zu arbeiten, während er in der Leistung blockiert ist, hat man Interesse daran, den Endbereich der Schaufeln hinten in Richtung der Rotation in einem Winkel von wenigstens 30° zu neigen, wie dies gestrichelt in Fig. 7 dargestellt ist.

Die Versuche, die mit einem Überschall-Zentrifugalverdichter gemäß der Qfindung durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß die Anwesenheit der Spalte 17 und der Sekundärvolumina, die einen Dämpfer bilden, es erlauben, in merklicher Weise den Volumendurchsatzbereich des Diffusors bei der Betriebsweise mit "gefluteter" Strömung zu vergrößern. Der Volumenleistungsbereich bei Betrieb, praktisch null bei der Abwesenheit von Spalten, während des gefluteten Zustandes, nimmt einen Wert in der Größenordnung von 40 % an, wie die durchgezogene Linie in Fig. 3 zeigt. Andererseits verändern die Spalte praktisch weder die Volumenleistungs-

grenze Q_Q noch den maximalen Wirkungsgrad E für die Volumenleistungsgrenze .

In der Praxis bedeutet die Existenz eines Volumenleistungsbereiches zahlreiche Vorteile für die herkömmlichen überschallverdichter:

Weil bei einem herkömmlichen Kompressor die Chaskteristik vertikal ausgebildet ist (Fig. 3)₃ ist es notwendig, aus Sicherheitsgründen den Verdichter bei einem niedrigen Verdichtungsverhältnis zu betreiben, typischerweise ungefähr bei 10 %, zu derjenigen, die beim Pumpen erhalten wird. Wenn z. B. das Verdichtungsverhältnis gleich 10 ist bis das Pumpen eintritt mit einem isantropischen Wirkungsgrad von 0,75 wählt man im allgemeinen den Betriebspunkt so, daß das Kompressionsverhältnis 9,09 und der Wirkungsgrad 0,708 beträgt. Die Erfindung erlaubt diese Sicherheitsbereiche freizusetzen und daher ungefähr 10 % im Druckverhältnis und 4,2 % im Wirkungsgrad zu gewinnen.

Während eines Betriebes bei Nominalgeschwindigkeit bei der der Rotor und der Diffusor eine gute aerodynamische Arj&ssung aufweisen, erlaubt eine Betriebsweise nach der Erfindung bei einer richtig ausgelegten Maschine einen beachtlichen Betriebsbereich zu erhalten. Dieser Bereich wird ebenso mehr ausgeprägt sein, wie der Inklinationswinkel der Rotorblätter 25 im Ausgangsbereich des Ro-

tors beträchtlicher ist, ein Winkel von 45° ist häufig vorteilhaft.

Wenn der Kompressor mit einer variablen Geschwindigkeit arbeitet und insbesondere während einer Zeitspanne der Übergeschwindigkeit, mit Blockage der Rotorleistung (der Ausdruck "Blockage in Leistung" bedeutet, daß die Grenzleistung, die durch den Rotor geliefert wird, für eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit erreicht ist) erlaubt die Anwendung der Erfindung das Druckverhältnis und die Leistung zu vergrößern, um ebenso viel mehr, als der Rotor weniger gut dem Diffusor bei dieser Übergeschwindigkeit angepaßt ist. In der Praxis erreicht die Vergrößerung des Druckverhältnisses 25 % und diejenige der Leistung ungefähr 3 %.

Es scheint, daß man die bevorzugt erreichten Resultate durch die Erfindung in der nachfolgenden Weise erklären kann, was allerdings wohl verstanden heißen soll, daß der Wert des vorliegenden Patentes nicht abhängig gemacht wird von der vollständigen Genauigkeit der formulierten Hypothesen.

Man möge zur Vereinfachung unterstellen, daß der betrachtete Verdichter ein Zentrifugaltyp ist, ausgerüstet mit einem Rotor, dessen Machzahl relativ zum Eintritt ungefähr 1,3 an der Spitze der Schaufel ist.

I L·. I t—

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Man unterstelle in gleicher Weise, daß die absolute Machzahl am Eingang des Diffusors in der Größenordnung von 1,4 ist, die Strömung ist also "geflutet".

Im Falle eines von Spalten befreiten Kompressors ist das Verhältnis so, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Pumpen tritt auf, sobald die Verkleinerung des Querschnittes der Gegendruckdrossel das Rückschreiten in Stromaufwärtsrichtung des Rekompressionsstoßes 15' bis zu einem Punkt provoziert hat, wo sich der Stoß am Kragen S im Schaufelzwischenkanal 14 anordnet.

Wenn der Diffusor mit Schlitzen und Sekundärvolumina entsprechend der Erfindung ausgerüstet ist, ist die Entwicklung des Zustandes im Gegenteil so, wie die unter Bezugnahme auf die Fig. 10, 11 und 12 nachfolgend beschriebene.

Wenn die Gegendruckdrossel 29 genügend weit geöffnet ist, so daß der Rekompressionsstoß 15' stromabwärts der Spalte 17 (Fig. 10) gelagert ist, ist der Zustand ähnlich demjenigen, wie im Falle eines herkömmlichen Verdichters. Der Rekompressionsstoß 15' ist in einer stabilen Lage, verbunden mit einem mittleren Druckwert im Volumen 30, welches zwischen dem Diffusor und der Drossel 29 liegt. Im Falle des weiter oben erwähnten

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Beispieles ist der entsprechende statische Druck in der Größenordnung von 0,3 ]Γ , wobei 7Tder Haltedruck stromaufwärts des Diffusors bedeutet.

Wenn man nunmehr unterstellt, daß man die Strömung durch teilweises Schließen der Drossel 29 drosselt, verlagert sich der Stoß 15 leicht stromaufwärts gegenüber dem Spalt 17 _s aber bleibt stromabwärts vom Kragen (Fig. 11). Die Hauptströmung (d. h. in Richtung des stromabwärtigen Volumens 30) im Bereich der Spalte 17 ist daher getragen von einem ungefähr gleichen Druck mit 0,7 77 . Der Unterschied zwischen dem Druck in der Hauptströmung und dem Druck in den Sekundärvolumina, wo ein statischer Druck von 0,3 7Γ herrscht, ist so, daß die Spalte 17 während einer kurzen Zeitperiode cft sonische Kragen bilden, wodurch ein großer Teil der Hauptströmungsmenge in. die Sekundärvolumina eintritt.

Während dieser Periode wird die Gegendruckdrossel, die in gleicher Weise einen sonischen Kragen bildet, dank der Tatsache des großen Druckverhältnisses zwischen dem Strömabwärtsvolumen und der Ejektion, durchsetzt von einem konstanten Ausstoßdurchsatz.

Der Druck im Stromabwärtsvolumen 30 verringert sich leicht, dank der Tatsache, daß die Zufuhr von Fluid, welches vom Rotor kommt, nicht mehr die Strömungs-

menge zusammendrückt, die die Drossel 29 durchströmt. Diese Druckverminderung bringt den Stoß 15' in eine Position stromabwärts .der Spalte 17 zurück. Sobald dieser Rekompressionsstoß nach stromabwärts an den Spalten 17 vorbei ist, entweicht eine zusätzliche Strömungsmenge nach stromabwärts aus dem Sekundärvolumen, wie mit einem Pfeil in Fig. 12 dargestellt. Der Druck im Stromabwärtsvolumen 30 beginnt nunmehr von neuem anzusteigen und bringt den Stoß 15' wieder nach stromaufwärts bezogen auf den Spalt.

Man sieht, daß von einem vorbestimmten Gegendruck an, welcher ein Pumpen bei Abwesenheit der erfindungsgemäßen Einrichtung veranlaßt, der Rekompressionsdruck von einer Seite zur anderen Seite des Spaltes 17 oszilliert, so daß diese Betriebsart das Pumpen vermeidet.

Damit dieses Phänomen stabil bleibt, ist es notwendig, daß zwei Bedingungen.erfüllt sind:

Die Variationskurve des Kompressionsverhältnisses der Stufe (Gesamtheit Rotor/Diffusor) der reduzierten Leistung muß eine negative Neigung haben, wie in Fig. 13 dargestellt. Weil die Variations kurve des Wirkungsgrades E des Diffusors entsprechend der Erfindung als Funktion der Volumenleistung (Volumendurchsatz) eine positive Steigung in den Regionen CB' aufweist, wo der Rekompressionsstoß um den Spalt (Fig. 3) oszilliert, kann diese Bedingung

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nur erfüllt werden, wenn die Variationskurve des Druckverhältnisses, erzeugt vom Rotor in Punktion zur reduzierten Leistung, eine ausreichend negative Neigung aufweist. Dazu hat man veranlaßt, die Blätter des Rotors im hi-nteren Bereich anzustellen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Gleichwohl wird diese Bedingung durch eine innewohnende Weise erfüllt, da der Rotor leistungsblockiert ist, was im allgemeinen beim Betrieb in Übergeschwindigkeit der Fall ist.

Beispielsweise kann man angeben, daß die durchgeführten Versuche mit Verdichtern, die mit3eistungsblockiertem Ro tor verbunden waren, gezeigt haben, daß die Hinzufügung von Mitteln gemäß der Erfindung eine ganz beträchtliche Steigerung des Druckverhältnisses von 7,^5 zu 9,3 erlauben, was sich übersetzt in eine große Vermehrung an Volumenleistung des Diffusors von 0 % bis 40 %.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann jeder Spalt natürlich in eine Vielzahl von unterschiedlichen öffnungen geteilt sein, um die Steifigkeit zu erhöhen, mit der Bedingung, daß die

zwischen den öffnungen verbleibenden Teile eine kleine Abmessung in Longitudinal-Richtung der Strömung

aufweisen.

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Leerseite

Claims

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ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS · MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEES

DIPL-ING. J. MEINKE DIPL-ING. W. DABRINGHAUS

4600 DORTMUND 1, 09. JULI 1981

WESTENHELLWEG 67 D/J

TELEFON (0231)145810 TELEGRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat d

Ansprüche : akten-nr.: 45/3878

überschallverdichter, der einen Diffusor und einen Rotor, dazu geeignet, um einem Fluid eine absolute Geschwindigkeit wenigstens gleich einer Machzahl von 1,2 am Diffusor in seinem Nennarbeitspunkt zu verleihen, aufweist, wobei der Diffusor eine Mehrzahl von Schaufeln in einem Gehäuse trägt, welche regelmäßig winklig verteilt sind und Zwischenschaufelkanale begrenzen, die stromabwärts der Vorderkanten der Schaufeln einen Kragen bilden, wobei jeder Schaufelzwischenkanal mit zwei Wandspalten versehen und die Spalte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (17, 17a) eine Erstreckung in Strömungsrichtung aufweisen, derart, daß sie beiderseits des Kragens des Zwischenschaufelkanals überstehen, wobei alle auf der gleichen Seite des Kanales angeordneten Spalte (17 bzw. 17a) mit einem gemeinsamen Sekundärvolumen durch Passagen verbunden sind, deren Fläche überall wenigstens gleich derjenigen der Spalte zum stabilisieren des Rekompressionsstoßes in jedem Kanal ist.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte, welche einem gleichen Kanal zugeordnet sind, symmetrisch beiderseits einer Kanalmedyianebene angeordnet sind.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spalt genau symmetrisch in bezug auf den geometrischen Kragen eines Zwxschenschaufelkanales angeordnet ist.
4. Verdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spalt (17₉ 17a) die gesamte Breite des Kanales einnimmt und dadurch daß seine Länge in Strömungsrichtung wenigstens gleich der Hälfte der Ganghöhe des Diffusors beträgt.
5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sekundärvolumen, welches einem Register von Spalten zugeordnet ist, einen Sekundärkanal (22, 22a) für jeden Spalt aufweist, wobei alle'Kanäle über eine ringförmige Nut (23, 23a) miteinander verbunden sind.
6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Sekundärvolunlen von einem Raum gebildet ist, welcher von senkrecht zur Rotationsachse stehen-