Gegenläufiger Kreiselverdichter Es ist bekannt, daß man Kreiselverdichter
für radiale Strömungsrichtung in ähnlicher Weise wie die bekannten Ljungströmturbinen
mit gegenläufigen Schaufelsvstemen bauen kann. Größere Bedeutung haben derartige
Verdichter bisher jedoch nicht erlangt, obwohl sie den Vorzug einer großen Druckerzeugung
in einem vielstufigen Laufräderpaar besitzen. 'Maßgebend hierfür sind u. a. folgende
Gründe: Soweit solche gegenläufigen Verdichter bislierüberhaupt vorgeschlagen worden
sind, wurden sie mit einer Strömungsrichtung radial von innen nach außen angegeben.
Dies liegt zunächst nahe, da ja die Zentrifugalkraft diese Strömungsrichtung einleitet.
Diese Strömungsrichtung hat aber andererseits einen großen Nachteil, der sich daraus
ergibt, daß das Vollinien des verdichteten Gases in den äußeren Stufen entsprechend
der Verdichtung immer kleiner wird, während Durchmesser und Umfangsgeschwindigkeit
immer größer werden. Da für ähnliche Strömungsverhältnisse und beste Wirkungsgrade
in den einzelnen konzentrischen Schaufelreihen die Bedingung
ungefähr eingehalten werden muß, wobei c,. die radiale Geschwindigkeit des Gases,
zc die Umfangsgeschwindigkeit der betreffenden Laufreihe bedeutet und die Schaufelhölle
ist (L' = Gasvolumen in ms/sec, D = Durchmesser der Laufreihe), so
folgt, daß selbst bei gleichbleibendem Gasvolumen die Schaufelhöhe h sich umgekehrt
verhältnisgleich D2 ändert, so daß z. B. eine :äußere -Schaufelreihe, die den doppelten
Durchmesser
der Innenreihe besitzt, nur noch den vierten Teil von
deren Schaufelhöhe hat. Dies gilt jedoch nur unter der Annahme, daß das Gasvolumen
ständig gleichbleibt. Da jedoch in Wirklichkeit das Volumen durch die Verdichtung
während der Strdmung von innen nach außen verkleinert wird, so muß die Schaufelhöhe
der äußeren Reihen ebenfalls in dem gleichen Verhältnis verkleinert werden Bei einem
Verdichtungsverhältnis 2 : I zwischen innerer und äußerer Schaufelreihe müssen demgemäß
die Schaufelhöhen im Verhältnis 8 : i nach außen abnehmen. Man kann diese Verhältnisse
durch Abstufung der Schaufelwinkel und der Verhältniszahlen
von innen nach außen zwar etwas mildern, grundsätzlich bleibt aber immer. das Mißverhältnis
bestehen, daß bei einer Durchströmung des Laufräderpaares von innen nach außen das
durch die Verdichtung verkleinerte Volumen auf die größeren Abmessungen und Umfangsgeschwindigkeiten
der äußeren Schaufelreihen trifft.Counter-rotating centrifugal compressor It is known that centrifugal compressors for radial flow directions can be built in a manner similar to the known Ljungström turbines with counter-rotating blade systems. However, such compressors have so far not achieved greater importance, although they have the advantage of generating a large amount of pressure in a multistage pair of impellers. The following reasons, among others, are decisive for this: As far as such counter-rotating compressors have ever been proposed, they have been specified with a flow direction radially from the inside to the outside. This is obvious at first, since the centrifugal force initiates this direction of flow. On the other hand, however, this direction of flow has a major disadvantage, which results from the fact that the solid lines of the compressed gas in the outer stages become smaller and smaller in accordance with the compression, while the diameter and peripheral speed become larger and larger. As the condition for similar flow conditions and best efficiencies in the individual concentric rows of blades must approximately be adhered to, where c ,. is the radial velocity of the gas, zc is the circumferential velocity of the row in question and the vane hell is (L ' = gas volume in ms / sec, D = diameter of the running row), it follows that even if the gas volume remains the same, the blade height h changes inversely proportionally D2, so that, for. B. an: outer row of blades, which has twice the diameter of the inner row, only has a fourth part of its blade height. However, this is only true under the assumption that the gas volume remains constant. However, since in reality the volume is reduced by the compression during the flow from the inside to the outside, the blade height of the outer rows must also be reduced in the same ratio 8: i take off towards the outside. You can set these ratios by grading the blade angle and the ratios From the inside out a little softening, but basically it always remains. There is a disproportionate situation in which, when there is a flow through the pair of impellers from the inside to the outside, the volume reduced by the compression meets the larger dimensions and circumferential speeds of the outer rows of blades.
Erfindungsgemäß wird zur Behebung dieser Schwierigkeiten- bei solchen
an sich bekannten gegenläufigen Verdichtern die Strömung von außen . nach innen
geführt, 'so daß das verdichtete Gasvolumen auf die kleineren Abmessungen der inneren
Schaufelreihen trifft. Je nach dem erzeugten Druckverhältnis kann dann die Schaufellänge
von außen nach innen in mäßigem Umfange zunehmen, gleichbleiben oder sogar abnehmen.According to the invention, in order to overcome these difficulties, such
counter-rotating compressors known per se control the flow from the outside. inside
led, 'so that the compressed gas volume on the smaller dimensions of the inner
Rows of shovels meets. Depending on the pressure ratio generated, the blade length can then
increase, stay the same or even decrease moderately from the outside in.
Es sind zwar auch schon nicht gegenläufige Verdichter mit radial durchströmten
konzentrischen Schaufelringen bekanntgeworden, bei denen die Schaufelsysteme abwechselnd
von innen nach außen und umgekehrt durchströmt werden. Bei nicht gegenläufigen Verdichtern
ist aber der Verdichtungsgrad in einem Schaufelring zu gering, um bei Strömung von
außen nach innen eine genügende Herabsetzung des Volumens und dadurch die Beibehaltung
angenähert gleichbleibender Schaufelhöhen zu ermöglichen. Erst die Vertinigung der
Gegenläufigkeit mit der Zentripetalströmung schafft diese Möglichkeit und macht
damit den gegenläufigen Radialverdichter lebensfähig.It is true that there are also not counter-rotating compressors with radial flow
concentric vane rings became known, in which the vane systems alternate
flow through from the inside to the outside and vice versa. With non-counter-rotating compressors
but the degree of compression in a blade ring is too low to be able to withstand the flow of
outside inwards a sufficient reduction in volume and thereby retention
To enable approximately constant blade heights. Only the union of the
Opposing the centripetal flow creates this possibility and makes
thus making the counter-rotating centrifugal compressor viable.
Zur praktischen Verwertung der Erfindung ist noch folgende weitere
Erkenntnis von Wichtigkeit: Ein Zentripetalgebläse mit gegenläufigem Laufräderpaar,.
dessen Schaufelreihen gemäß der Erfindung von außen nach innen durchströmt werden,
erzeugt bei- einer Förderung gleich Null einen von innen nach außen entsprechend
der Zentrifugalkraft zunehmenden Druck, der also im entgegengesetzten Sinne zur
Druckerzeugung im Normalbetrieb wirkt. Um nun ein solches Gebläse zum Arbeiten in
der gewünschten Förderrichtung zu bringen, bedarf es also eines Anstoßes, der die
Strömung von außen nach innen erst einmal einleitet. Einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung entsprechend können solche Gebläse als Aufladegebläse für Viertaktverbrennungsmotoren
verwendet werden, da diese Motoren in ihrem Ansaugehub die Strömung durch die vorgeschalteten
Gebläse erzwingen, auch wenn diese zunächst-noch nichts-fördern oder sogar drosselnd
wirken. Die Vorzüge der gegenläufigenRadialverdichter sind also in dieser Kombination
voll ausnutzbar.In order to put the invention into practice, the following is another
A finding of importance: a centripetal fan with a pair of impellers rotating in opposite directions.
whose rows of blades are traversed from the outside to the inside according to the invention,
If the delivery is equal to zero, it generates a corresponding from the inside to the outside
the centrifugal force increasing pressure, that is in the opposite sense to the
Pressure generation is effective in normal operation. In order to now have such a blower to work in
To bring the desired conveying direction, it requires an impetus that the
Initiate flow from the outside to the inside. A special embodiment
According to the invention, such fans can be used as supercharging fans for four-stroke internal combustion engines
be used because these motors in their intake stroke the flow through the upstream
Force blowers, even if they do not yet deliver anything or even throttle
works. The advantages of the counter-rotating centrifugal compressors are therefore in this combination
fully exploitable.
Abb. i.. zeigt .ein derartiges gegenläufiges Zentripetalgebläse mit
den Läufern i und 2 im Gehäuse 3, das einerseits von einer Abgasturbine 4, andererseits
über Getriebe 6 und 7 vom Verbrennungsmotor 5 angetrieben wird.Fig. I .. shows such a counter-rotating centripetal fan with
the rotors i and 2 in the housing 3, on the one hand by an exhaust gas turbine 4, on the other hand
is driven by the internal combustion engine 5 via gears 6 and 7.
Allgemein eignen sich solche gegenläufigen Verdichter mit Zentripetalströmung
als Vorschalt- oder Nachschaltgebläse zu anderen normalen Verdichtern, die als Verdränger-
oder als Strömungsmaschinen gebaut sein können. Das Verhältnis der Druckerzeugung
in dem gegenläufigen Zentripetalverdichter zu dem des vor- oder nachgeschalteten
normalen Verdichters ist dabei innerhalb gewisser Grenzen beliebig. Wesentlich ist
nur, daß der normale Verdichter bei jeder betriebsmäßig vorkommenden 'Drehzahl den
bei einer Förderung gleich Null im Zentripetalgebläse entstehenden Zentrifugaldruck
mit Sicherheit überwindet.In general, such counter-rotating compressors with centripetal flow are suitable
as an upstream or downstream fan to other normal compressors that are used as positive displacement
or can be built as flow machines. The ratio of pressure generation
in the counter-rotating centripetal compressor to that of the upstream or downstream
normal compressor is arbitrary within certain limits. Is essential
only that the normal compressor at each operationally occurring 'speed the
centrifugal pressure generated in the centripetal blower when pumping is equal to zero
surely overcomes.
Das Zentripetalgebläse gemäß der Erfindung kann insbesondere überall
dort verwendet werden, wo man sogenannte Axialverdichter anwendet, d. h. dort, wo
relativ große Gasmengen mit spezifisch hohen Drehzahlen auf mittlere Drücke verdichtet
werden sollen. Dies ist in erster Linie der Fall bei der Aufladung von Verbrennungsmotoren,
druckgefeuerten Kesseln, z. B. Veloxkesseln, Gasturbinen und ähnlichen Aufladeprozessen,
vor allem dann, wenn das gesamte Druckverhältnis so hoch ist, daß Zwischenkühlung
erforderlich ist.The centripetal fan according to the invention can in particular be used anywhere
be used where so-called axial compressors are used, d. H. there where
Relatively large amounts of gas are compressed to medium pressures at specifically high speeds
should be. This is primarily the case when charging internal combustion engines,
pressure-fired boilers, e.g. B. Velox boilers, gas turbines and similar charging processes,
especially when the total pressure ratio is so high that intercooling
is required.
Abb. 2 zeigt z. B. eine Gasturbinengruppe, bei der die Verdichtung
zweistufig mit Zwischenkühlung und die Expansion zweistufig mit Zwischenerhitzung
durchgeführt wird. Man kann hierbei die Aufteilung der Drücke und Leistungen zweckentsprechend
wählen. In Abb. 2 wird z. B. der Niederdruckverdichter i, der beispielsweise als
nicht gegenläufiger Axialverdichter ausgeführt sein kann, zusammen mit dem einen
Läufer 3 des gegenläufigen Hochdruckverdichters 2 von der Niederdruckgasturbine
5 angetrieben, während der andere Läufer q. des Hochdruckverdichters 2 von der Hochdruckturbine
6 angetrieben wird, die außerdem die Nutzleistung an den Generator 7 abgibt. Die
Verbrennungsluft wird von dem Niederdruckverdichter i angesaugt, in diesem verdichtet
und anschließend in dem Zwischenkühler 8 gekühlt, um sodann in dem gegenläufigen
Hochdruckverdichter 2, dessen konzentrische Schaufelreihen von außen nach innen
durchströmt werden, auf den Enddruck verdichtet zu werden. Die aus dem Hochdruckverdichter
austretende Luft wird der Brennkammer g zugeführt, in der sie mit dem gleichzeitig
zugeführten Brennstoff verbrannt wird. Die in der Brennkammer anfallenden Verbrennungsgase
werden der Hochdruckgasturbine 6 zugeführt und in dieser auf einen bestimmten Gegendruck
entspannt. In dem Zwischenerhitzer io, der z. B. eine Hilfsbrennkammer sein kann,
wird den aus der Hochdruckgasturbine austretenden Gasen neue Energie zugeführt,
worauf die Gase in der Niederdruckgasturbine vollständig entspannt werden,
Auch
in diesem Beispiel erzwingt der nicht gegenläufige N iederdruckverdichter i die
Strömung durch den gegenläufigen Hochdruckverdichter z von außen nach innen. Diese
Anordnung bringt noch den Vorteil, daß der Generator 7 mit der Hochdruckturbine
6 und dem Läufer q. des Hochdruckverdichters entsprechend der Netzfrequenz laufen
kann, während die Niederdruckturbine 5 mit Niederdruckverdichter i und dem zugehörigen
Läufer des Hochdruckverdichters je nach Last mit veränderlicher Drehzahl laufen
kann. Hieraus ergeben sich besonders günstige Teillastwirkungsgrade.Fig. 2 shows e.g. B. a gas turbine group, in which the compression
two-stage with intermediate cooling and the expansion two-stage with intermediate heating
is carried out. You can divide the pressures and services appropriately
Select. In Fig. 2 z. B. the low pressure compressor i, for example as
Axial compressor not rotating in opposite directions can be carried out, together with the one
Rotor 3 of the high pressure compressor 2 rotating in opposite directions from the low pressure gas turbine
5 driven while the other runner q. of the high pressure compressor 2 from the high pressure turbine
6 is driven, which also delivers the useful power to the generator 7. the
Combustion air is sucked in by the low-pressure compressor i and compressed in it
and then cooled in the intercooler 8 to then in the opposite direction
High pressure compressor 2, the concentric rows of blades from the outside to the inside
are flowed through to be compressed to the final pressure. The one from the high pressure compressor
exiting air is fed to the combustion chamber g, in which it is simultaneously with the
supplied fuel is burned. The combustion gases generated in the combustion chamber
are fed to the high-pressure gas turbine 6 and in this to a certain counter pressure
relaxed. In the reheater io, the z. B. can be an auxiliary combustion chamber,
new energy is supplied to the gases emerging from the high-pressure gas turbine,
whereupon the gases in the low-pressure gas turbine are completely expanded,
Even
In this example, the low-pressure compressor i, which is not counter-rotating, enforces the
Flow through the counter-rotating high-pressure compressor z from the outside to the inside. These
Arrangement still has the advantage that the generator 7 with the high pressure turbine
6 and the runner q. of the high-pressure compressor run according to the mains frequency
can, while the low pressure turbine 5 with low pressure compressor i and the associated
The rotors of the high-pressure compressor run at a variable speed depending on the load
can. This results in particularly favorable partial load efficiencies.