DE7213730U - SUPER SOUND CENTRIFUGAL COMPRESSORS - Google Patents
SUPER SOUND CENTRIFUGAL COMPRESSORSInfo
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Description
Die Neuerung betrifft einen Überschall-Kreiselverdichter (auch Turbokompressor genannt), durch den ein sehr großes Verhältnis von Enddruck (Auslaßdruck) zu Anfangsdruck (Einlaßdruck) erzielt werden kann.The innovation concerns a supersonic centrifugal compressor (also called turbo compressor), through which a very large Ratio of final pressure (outlet pressure) to initial pressure (inlet pressure) can be achieved.
Bekanntlich nimmt bei derartigen Verdichtern die Umfangsgeschwindigkeit der Radschaufeln relativ zum Verdientergehäuse Überschallwerte an. In den gewöhnlichen derartigen Verdichtern verläßt das Fördermittel oder Fluid das Schaufelrad mit einer hohen Geschwindigkeit, so daß es schwierig ist, mit der Rekompressionsstoßwelle einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad zu erreichen.It is known that the peripheral speed decreases in such compressors of the wheel blades relative to the deserving housing at supersonic values. In the common ones Compressors, the conveying means or fluid leaves the impeller at a high speed, so that it it is difficult to get a satisfactory one with the recompression shock wave To achieve efficiency.
Da Überschall-Kreiselverdichter außerdem vorzugsweise in Verdichtersätzen verwendet werden sollen, ist es fernerFurthermore, since supersonic centrifugal compressors are preferably used in compressor packs, it is
UIO-B 4232.3-Hd-r (7)UIO-B 4232.3-Hd-r (7)
wünsciisiiü'.vcrt, da." de~ A"sf°i 1 sines Verdichters eines Verdichtersatzes nicht den Stillstand der anderen Verdichter desselben Satzes hervorruft, was aber nur gewährleistet ist, wenn der Überschall-Kreiselverdichter mit variablem Durchsatz arbeiten kann.wünsciisiiü'.vcrt, da. "de ~ A" sf ° i 1 his compressor of a compressor set does not cause the other compressors of the same set to come to a standstill, but this is only guaranteed if when the supersonic centrifugal compressor can operate with variable throughput.
Bei den bekannten Verdichtern ist schließlich die Steuerung schwierig, da sie von mehreren Parametern abhängt.Finally, with the known compressors, control is difficult because it depends on several parameters.
Es ist daher Aufgabe der Neuerung, einen Überschall-Kreiselverdichter zu schaffen, bei dem die Reibung von Gas an der Ständerwand beträchtlich kleiner als bei den bekannten Kreiselverdichtern ist, um so «inen höheren Wirkungsgrad zu erhalten: der ferner mit variablem Durchsatz arbeiten kann, wobei der Durchsatz die Funktion eines einzigen Parameters ist, so daß diese Funktion auch leicht zu bestimmen ist, der weiter eine Förder-Machzahl erreichen kann, um ihn nicht nur für die Verdichtung von schweren Gasen einzusetzen, in denen die Schallgeschwindigkeit relativ niedrig ist, sondern auch zur Verdichtung von Luft und anderen Gasen mit relativ geringer Dichte, und der schließlich einen einfachen und robusten Aufbau haben sowie einen sicheren Betrieb zeigen und pulsierungsfrei arbeiten soll.It is therefore the task of the innovation, a supersonic centrifugal compressor to create in which the friction of gas on the stator wall is considerably smaller than with the known In order to obtain a higher degree of efficiency, centrifugal compressors also work with variable throughput can, where the throughput is the function of a single parameter, so that this function is also easy to determine which can further reach a pumping Mach number so that it can be used not only for the compression of heavy gases, in which the speed of sound is relatively low, but also to compress air and other gases with relatively low density, and ultimately have a simple and robust structure and show safe operation and should work pulsation-free.
Ein Überschall-Kreiselverdichter jder Turbokompressor mit einem Läufer einschließlich eines umlaufenden Diffusors und mit einem einen axialen Einlaß aufweisenden Ständer einschließlich eines ortsfesten Diffusors, der auf den umlaufenden Diffusor in Strömungsrichtung eines zu verdichtenden Fluids folgt, wobei der ortsfeste Diffusor aus einer Spiralkammer besteht j die durch eine damit tangential verbundeneA supersonic centrifugal compressor every turbo compressor with a rotor including a revolving diffuser and with a stator including an axial inlet a stationary diffuser, which is on the rotating diffuser in the flow direction of a to be compressed Fluids follows, the stationary diffuser consists of a spiral chamber j which is tangentially connected to it
721373Oro.8,72721373Oro.8.72
Düse verlängert ist, während der Läufer durch zwei gleichachsige Flügel gebildet» ist, die durch radiale Schaufeln verbunden sind, deren Radius größer als der Radius der Schaufeln ist, ist neuerungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen radialen Abmessungen der Schaufeln und der Flügel so groß sind, daß die Geschwindigkeit am Auslaß des umlaufenden Diffusors etwas im Überschallbereich liegt, und daß die einen Schall-Einlaßqueischnitt aufweisende Düse gerade ist und divergiert, so daß eine Rekompress.ionsstoßwelle in der Fluidströmung in der Nähe der Verbindungsstelle der Düse mit der Spiralkammer erzeugt wird.The nozzle is elongated, while the runner is formed by two equiaxed vanes, which are formed by radial vanes are connected, the radius of which is greater than the radius of the blades, is characterized according to the innovation, that the mutual radial dimensions of the blades and the blades are so large that the speed at The outlet of the revolving diffuser is somewhat in the supersonic range, and that the one sound inlet cross section having nozzle is straight and diverges, so that a recompression shock wave in the fluid flow in the vicinity the junction of the nozzle with the spiral chamber.
Für Kreiselverdichter ist es zwar bereits bekannt, einen geraden ortsfesten Dif >or oder Leitapparat zu verwenden, dabei sind jedoch derartige Diffusoren durch Zwischenwände unterteixt, im allgemeinen durch eine große Anzahl von Beschaufelungen; im Gegensatz dazu hat beim neuerungsgemäßen Verdichter der ortsfeste Diffuser sowohl auf seinem spiralförmigen Abschnitt als auch auf seinem geraden Abschnitt eine glatte Wand.For centrifugal compressors, it is already known to use a straight, stationary diff> or or diffuser, however, there are such diffusers through partitions subdivided, generally by a large number of blades; in contrast to this, according to the innovation Compressor the stationary diffuser both on its spiral section and on its straight section Section a smooth wall.
Die Neuerung wird anhand dor Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The innovation is explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein AusfUhrungsbeispiel des neuerungsgemäßen Kreiselverdichters entlang der Schnittebene I-I in Fig. 2;Fig. 1 is a section through an exemplary embodiment of the centrifugal compressor according to the innovation along the section plane I-I in FIG. 2;
Fig. 2 eine Horizontalansicht entlang der Schnittebene 2-2 in Fig·- 1 ;FIG. 2 shows a horizontal view along the section plane 2-2 in FIG.
Fig. 3 eine Ansicht eines abgewandelten Ausführung;-hsi »piftlfi entlang der vertikalen Schnittebene 3-3 in Fig. 4;3 shows a view of a modified embodiment; »Piftlfi along the vertical cutting plane 3-3 in Figure 4;
Fig. k eine Ansicht dieses abgewandelten Ausführangs-Fig. K is a view of this modified version
beispiels entlang der Schnittlinie !'-k in Fig. 3; undfor example along the cutting line ! '-k in Figure 3; and
Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Durchsatzes
von den Verdichtungsverhältnissen für
ein Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen
Verdichters angibt.Fig. 5 is a diagram showing the dependence of the throughput on the compression ratios for
an embodiment of the innovation according to the invention
Compressor.
Gemäß dem in Fig. 1 abgebi ide lefi Ausfuhrungsbeispisl
des nsvisningsgcrr.iißeri Verdichters hat dieser einen Ständer
mit einer axialen Ansaugöffnung 2. Im Ständer 1 läuft ein
Läufer 3 um, der auf einer Welle h montiert ist und von der
einen Seite her ein vorderes Schaufelrad 5 mit Schaufeln 5a
und einen Tragkranz 6 mit zwei Flügeln 7 und 8 aufweist,
die durch mehrere radiale Schaufeln 9 miteinander verbunden sind, die zwischen sich radiale Kanäle 9a begrenzen.
Diese Schaufeln haben eine kleinere radiale Länge als die Flügel, so daß ein Diffusionsringraum 10 am Umfang des Läufers
vorgesehen ist. Dieser umlaufende Diffusor mündet in einer Spiralkammer 11, die im Inneren des Ständers vorgesehen
ist, dessen Seitenwände entweder parallel oder, wie abgebildet, leicht divergierend verlaufen.According to the exemplary embodiment of the nsvisningsgcrr.iißeri compressor shown in Fig. 1, this compressor has a stator with an axial suction opening 2. In the stator 1, a rotor 3 rotates, which is mounted on a shaft h and a front impeller from one side 5 with blades 5a and a support ring 6 with two blades 7 and 8,
which are connected to one another by a plurality of radial blades 9 which delimit radial channels 9a between them.
These blades have a smaller radial length than the blades, so that a diffusion annulus 10 is provided on the circumference of the rotor. This circumferential diffuser opens into a spiral chamber 11 which is provided in the interior of the stand, the side walls of which run either parallel or, as shown, slightly diverging.
Die Spiralkammer 11 bildet einen ersten Abschnitt eines ortsfesten Diffusors, der mit einem zweiten Abschnitt 12 dieses ortsfesten Diffusors verbunden ist. Dieser zweite Abschnitt ist gebildet durch eine gerade, divergierendeThe spiral chamber 11 forms a first portion of a fixed diffuser that has a second section 12 of this stationary diffuser is connected. This second section is formed by a straight, diverging one
Düse, deren Eintritt-squerschnitt S sich ungefähr an Jer Verbindungsöffnung der Spiralkanmer und der geraden Düse befindet und mindestens Schall-Querschnitt hat, der den Nenndurchsatz des Kreiselverdichters bestimmt. Die Verdichtung an dieser Stelle wird durch eine Stoßwelle gewährleistet, die an der Mündung der Spiralkammer entsteht.Nozzle, the inlet cross-section of which S is approximately at Jer Connection opening of the spiral anmer and the straight nozzle and has at least a sound cross-section that determines the nominal throughput of the centrifugal compressor. The compression at this point is ensured by a shock wave that is created at the mouth of the spiral chamber.
Vorzugsweise hat der Läufer außerdem zusätiliche Schaufeln wie 13 und 14, die an den entsprechenden Außenwänden der Flügel 7 und 8 befestigt und teilweise von geeigneten Hohlräumen 15 und i6 aufgenommen sind, die sich in der Innenwand des Ständers befinden.The rotor preferably also has additional blades like 13 and 14 on the corresponding outer walls the wings 7 and 8 are fixed and partially received by suitable cavities 15 and i6 located in the inner wall of the stand.
Der eben beschriebene Verdichter arbeitet wie folgt;The compressor just described works as follows;
Das zu verdichtende Fluid oder Fördermittel tritt über die axiale Eintrittsöffnung 2 ein, wird durch das vordere Schaufel- oder Laufrad 5 mitgerissen und gelangt schließlich in die beweglichen Kanäle 9a, wo es der Zentrifugalkraft ausgesetzt wird, die das Fluid zum umlaufenden ringförmigen Diffusor 10 ausstößt. Dieses Fluid am Auslaß der beweglichen Kanäle 9a beginnt mit geringen Verlusten sich zu verzögern, so daß die Bewegung des Gases relativ zu den es begrenzenden beweglichen Wänden im Ergebnis im Unterschallbereich liegt. In diesem umlaufenden Diffusor vermischen sich die Wirbelströme hinter den Schaufeln und die ungestörten Gasströme aus den beweglichen Kanälen, und die deii< Fluid durch die Schaufeln 9 des Läufers vermittelte kinetische Energie beginnt, in iJruckenergie umgesetzt zu werden. Die durch diese Umsetzung und durch die Viskosität des Fluids hervorgerufenen Verluste sind relativ klein.The fluid or conveying medium to be compressed passes over the axial inlet opening 2 is through the front The impeller or impeller 5 is carried away and finally enters the movable channels 9a, where there is centrifugal force which expels the fluid to the circumferential annular diffuser 10. This fluid at the outlet of the movable channels 9a begins to decelerate with small losses, so that the movement of the gas relative to the it delimiting movable walls as a result in the subsonic range lies. In this revolving diffuser, the eddy currents mix behind the blades and the undisturbed gas flows from the movable canals, and the deii < The kinetic energy imparted by the blades 9 of the rotor begins to be converted into pressure energy will. The losses caused by this conversion and by the viscosity of the fluid are relatively small.
Es wäre dennoch nich^ möglich, so die ganze Diffusion vorzunehmen, weil man einen umlaufenden Diffusor mit sehr großem relativen Radius benutzen müßte, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Verluste arch Reibung führen würde, was andererseits die Gefahr mit sich bräc ^e, den durch die angewendete Lösung erzielten Vorteil zu verlieren.Nevertheless, it would not be possible, like the whole of diffusion to undertake, because one would have to use a circumferential diffuser with a very large relative radius, which leads to a considerable Increase in losses would lead to arch friction, which on the other hand would entail the danger to lose the advantage gained by the applied solution.
Der nicht unterteilte ortsfeste Jiffusor 11, 12 dient im wesentlichen dazu, das aus dem umlaufenden Diffusor austretende Fluid, das immer noch eine beträchtliche Geschwindigkeit hat, zu kanalisieren und diese kinetische Energie im günstigsten Fall wieder zu gewinnen.The stationary jiffusor 11, 12, which is not subdivided, is used essentially to the fact that the fluid emerging from the rotating diffuser, which is still a considerable velocity has to channel and, in the best case, to regain this kinetic energy.
Die gewählte Form der stetigen Änderung der Seitenwände dieses Diffusors gestattet auch, maximal die EnergieVerluste zu verhindern.The chosen shape of the constant change of the side walls of this diffuser also allows a maximum of the energy losses to prevent.
Die Durchsatzsteuerung kann leicht durch genaue Wahl des Querschnitts S des einzigen Kanals vorgenommen werden, während bei den Verdichtern mit unterteil ten Diffusoren der Durchsatz durch die Summe der kleinen Querschnitte zwischen den Schaufeln beschränkt isc. Die nur einen einzigen Kanal verwendete Lösung ist besonders einfach, und die praktische Erprobung hat gezeigt, daß das Fehlen von Sei auf ein auch das Abreißen von Fluid vermeidet, was eine Instabilitätsursache bei kleinem Durchsatz darstellt. Man erhält also durch Kombination eines umlaufenden Diffusors und eines ortsfesten Diffusors, der eine Spiralkammer und eine divergierende Düse hat, den neuerungsgemäßen Überschall-Verdichter, der einfach aufgebaut int, einen hohen Wirkungs- pxr zeigt und im Durchsatz genau vorbestimmt werden kann.The throughput control can easily be carried out by a precise choice of the cross section S of the single channel, while in the case of the compressors with partitioned diffusers the throughput is limited by the sum of the small cross sections between the blades. The solution, which uses only a single channel, is particularly simple, and practical testing has shown that the lack of Se on one also avoids the tearing off of fluid, which is a cause of instability in the case of a low throughput. Thus, by combining a rotating diffuser and a stationary diffuser, which has a spiral chamber and a diverging nozzle, the supersonic compressor according to the innovation is obtained, which is simple in design, has a high efficiency and can be precisely predetermined in terms of throughput.
Die praktische Erprobung hat auch bewiesen, daß dieser Verdichter außerdem pulsierungs(pump)frei ist.Practical testing has also proven that this compressor is also free of pulsation (pump).
Die zusätzlichen Schaufeln 13 und 14 verhindern Leckverluste und gestatten, ein hohes Verdichtungsverhältnis aufrechtzuerhalten. Beispielsweise erlaubt ein Verdichter gemäß der Neuerung mit Freon (Difluordichlormethan) 114 (XJ-. dem die Schallgeschwindigkeit bei 50 C 130 m/s beträgt) zwischen der Austritts- _.id der Eintrittsöffnung ein Druckverhältnis von 8 bei einer Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelende von 230 m/s.The additional blades 13 and 14 prevent leakage losses and allow a high compression ratio to be maintained. For example, a compressor allows according to the innovation with Freon (difluorodichloromethane) 114 (XJ-. Which the speed of sound at 50 C is 130 m / s) between the exit ID of the entry opening a pressure ratio of 8 at a peripheral speed at the bucket end of 230 m / s.
Diese Vorteile worden grundsätzlich deshalb erreicht, weil im umlaufenden Diffusor eine Verzögerung stattfindet - die Geschwindigkeit liegt nur schwach im Überschallbereich am Austritt des umlaufenden Diffusors - und damit eine Verdichtung, wobei das Verdichtungsverhältnis z. B. von 3-5 im umlaufenden Diffusor auf anschließend 5-8 im ortsfesten Diffusor ansteigt, so daß sich die Stoßwelle oder die Stoßwellen im wesentlichen a der Stelle des Querschnitts S bilden, und wobei die Düse 12 lang genug ist, damit die Verdichtung bis zum in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Verdichtungsverhältnis 8 ansteigen kann.These advantages were basically achieved because there is a delay in the rotating diffuser - the speed is only weakly in the supersonic range at the outlet of the rotating diffuser - and thus a compression, whereby the compression ratio z. B. from 3-5 in the circumferential diffuser then increases to 5-8 in the stationary diffuser, so that the shock wave or shock waves form essentially a of the point of cross-section S, and the nozzle 12 is long enough so that the compression up can increase to the compression ratio 8 provided in this exemplary embodiment.
Der Wirkungsgrad dieses Verdichters ist besser, weil im umlaufenden Diffusor die tangentiale Strömungsgeschwindi keit des Fluids auf einen Wert erniedrigt wird, der nur etwas oberhalb der Machzahl 1 liegt, ο daß der Wirkungsgrad für diese Umsetzung sehr hoch ist, z. B. größenordnungsmäßig 0,9 beträgt-The efficiency of this compressor is better because in the rotating diffuser the tangential flow velocity of the fluid is lowered to a value that is only slightly above the Mach number 1, ο that the efficiency for this implementation is very high, z. B. is on the order of 0.9
Die Raibung an den Wänden des Ständers ist kleiner a]s bei den bekannten Verdichtern. Die Verwendung des umlaufenden Diffusors gestattet auch, das Pulsieren oder Pumpen zxi vermeiden und ermöglicht dementsprechend einen variablen Durchsatz, insbesondere di-n Betrieb des Verdichters, wenn einer der Verdichter eines Verdichtersatzes, zu i'em der betrachtete Verdichter gehört, ausfällt.The rubbing on the walls of the stand is smaller a] s with the known compressors. The use of the circulating Diffuser also allows the pulsation or pumping zxi to be avoided and accordingly enables one variable throughput, especially di-n operation of the compressor, if one of the compressors of a compressor set, to which the compressor in question belongs, fails.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Kurve, wie sie mit einem neuerungsgemäßen Verdichter bei einem Versuch mit konstanter Geschwindigkeit erbalten wurde. Auf der Abszisse sind die Durchsätze aufgetragen, während auf der Ordinate die Verdichtungsverhältnisse P zu sehen sind. Der Vollinienteil der Kurve stellt den Normalbetriebsbereich des Verdichters dar, wo der Durchsatz (UN) praktisch unabhängig vom Verdichtungsverhältnis ist; dieser Durchsatz kann daher auch als konstant betrachtet werden und bildet damit einen Kennwert des Verdichters.Fig. 5 shows an example of a curve as it is with a compressor according to the invention in an experiment constant speed. The flow rates are plotted on the abscissa, while on the ordinate the compression ratios P can be seen. The full line portion of the curve represents the normal operating area of the compressor represents where the throughput (UN) is practically independent is on the compression ratio; this throughput can therefore also be regarded as constant and forms thus a characteristic value of the compressor.
Falls die Geschwindigkeit am Hals der Düse bei S noch mehr erhöht wird, ist es möglich, den Verdichter in einer abgewandelten Form zu realisierer, wie sie in Fig. 3 und k dargestellt ist, wobei eine Strahlpumpe 21 vorgesehen ist, in der das umlaufende Gas F, das von der Spiralkammer bei S ausgestoßen wird, als Treibmittelstrom betrachtet wird, der eine wiederholt anzusaugende Strömung mitreißt.If the speed at the neck of the nozzle at S is increased even more, it is possible to implement the compressor in a modified form, as shown in Fig. 3 and k , wherein a jet pump 21 is provided in which the circulating gas F ejected from the spiral chamber at S is considered to be a propellant flow entraining a flow to be repeatedly aspirated.
Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel hat der Verdichter eine Re-Injektionsdüse 22, die am Hals S der geraden Düse 12 mündet, wobei die wiederholt einzuspeisende Strömung bei f erfaßt und durch den Primär- oder Treibmit-In this modified embodiment, the Compressor a re-injection nozzle 22, which is attached to the neck S of the straight nozzle 12 opens, wherein the repeated flow to be fed is detected at f and through the primary or propellant
tfii strom P mit«rerissen wird, der die Spiralkammer verläßt und in die Düse eindringt.tfii flow P is torn off, which leaves the spiral chamber and penetrates the nozzle.
Man kann also ein Gas oder sogar zwei verschiedene Gase durch zwei Einlasse mit unterschiedlichen Drücken ansaugen, wobei die Auslaßöffnung nur einfach vorhanden ist. Man kann so auch verschiedene Druckverhältnisse für die beiden Gase f und F erzeugen, z. B. für den Hauptstrom F 1 und 2 für den Sekundärstrom f.So you can suck in a gas or even two different gases through two inlets with different pressures, the outlet opening being present only once. You can also use different pressure ratios for the generate two gases f and F, e.g. B. for the main flow F 1 and 2 for the secondary flow f.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß der bauliche Unterschied, der daraus für das ortsfeste Bauteil folgt, ■ den Anbau der Strahlpumpe erlaubt, während die anCirsnIn summary, it can be stated that the structural The difference that follows for the stationary component ■ allows the jet pump to be attached, while the anCirsn
Merkmale dieses Verdichters mit dem in Fig. ) und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Neuerung identisch sind.Features of this compressor with the embodiment of the innovation shown in Fig.) And 2 are identical.
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