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Schleuderverdichter für hohe Stufendruckverhältnisse Die Erfindung
bezieht sich auf einen Schleuderverdichter für hohe Stufendruckverhältnisse, und
sie besteht darin, daß die Schaufeln des Läufers diagonale Erstreckung besitzen
und mindestens zwei Zonen aufweisen, wobei in der Eintrittszone der Neigungswinkel
der rückwärts gekrümmten Schaufelfläche gegen die Umfangsrichtung vom Wert für stoßfreien
Eintritt bei normaler Belastung auf einen Höchstwert ansteigt, während in der Austrittszone
die Schaufelflächen einen abnehmenden Neigungswinkel besitzen, dessen Cosinus an
der Austrittsstelle größer ist als das Verhältnis der relativen Geschwindigkeit
zur doppelten Umfangsgeschwindigkeit, so daß der Neigungswinkel vom Höchstwert auf
einen Wert wieder vermindert wird, bei welchem die absolute Austrittsgeschwindigkeit
die Schallgeschwindigkeit nicht so weit übersteigt, daß sich Machsche Schallwellen
ausbilden können. Einzelne dieser Merkmale sind für sich allein bekannt: So ist
es z. B. bekannt, bei Wasserpumpen und -turbinen Läuferschaufeln mit diagonaler
Erstreckung zu verwenden. Bei Luftverdichtern, inssondere bei solchen mit hohem
Stufendruckverhältnis, deren Laufräder etwa mit Schallgeschwindigkeit arbeiten,
sind aber die Probleme ganz andere als bei Wasserpumpen, so daß sich schon aus diesem
Grunde ein Vergleich ausschließt.
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Ein stoßfreier Eintritt ins Laufrad bei normaler Belastung wird im
Kreiselmaschinenbau allgemein angestrebt. Diese bekannte Maßnahme hat hier nur Erwähnung
gefunden zur Kennzeichnung des Anfangswertes, von welchem ausgehend der Schaufelwinkel,
einem Merkmal der Erfindung zufolge, längs der Schaufel zunächst auf einen Höchstwert
ansteigt und danach wieder abnimmt.
Bekanntgeworden ist ferner ein
sogenannter Verbundflügel für ein Zentrifugalgebläse, welcher aus einer vorwärts
gekrümmten -Schaufel und einem an dieser befestigten rückwärts gekrümmten Schaufelteil
besteht. Diese beiden Schaufelteile folgen jedoch im Gegensatz zum Merkmal der vorliegenden
Erfindung nicht als Eintritts- und Austrittszone, also in Strömungsrichtung aufeinander,
sondern bei der bekannten Anordnung ist der rückwärts gekrümmte zweite Schaufelteil
auf dem Rücken der vorwärts gekrümmten ersten Schaufel befestigt, bildet also mit
ihr eine Hohlschaufel.
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Bei einem weiteren bekannten Laufrad ist die Laufschaufel zwar aus
zwei Zonen zusammengesetzt, in deren erster der Schaufelwinkel zunimmt, und zwar
bis auf go°. In der zweiten Zone bleibt er aber gleich go°, nimmt also dort nicht,
wie dies ein Merkmal der Erfindung ist, wieder ab.
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Ferner ist ein ebenfalls aus zwei Zonen zusammengesetztes Laufrad
bekanntgeworden, bei dem aber der Schaufelwinkel in der Eintrittszone ab- und in
der Austrittszone zunimmt.
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Schließlich weist ein bekanntgewordenes Mehrfach-Verbundgebläse drei
teilweise etwa diagonale Räder auf, die jedoch in achsnormaler Ebene nur zunehmende,
nicht aber - wie es ein Merkmal der Erfindung ist - wieder abnehmende Schaufelwinkel
aufzeigen.
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Die mit dem Schleuderverdichter nach der Erfindung erzielbaren Vorteile
sind strömungs-> herstellungs- und betriebstechnischer Art. Durch die Zunahme des
Neigungswinkels der Schaufeln gegen die Umfangsrichtung vom Eintritt an in Strömungsrichtung
bis zu einem Höchstwert erfolgt eine von einem Druckanstieg begleitete Verzögerung
der Relativströmung. Infolge des in dieser Läuferzone vornehmlich vorhandenen axialen
Strömungsverlaufes treten keine wesentlichen Einflüsse der Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung
in Erscheinung.
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Das in dieser Weise der zweiten Läuferzone zuströmende Mittel weist
infolge seiner Vorverdichtung ein höheres spezifisches Gewicht auf, so daß durch
die Stromführung von kleinerem auf größere Durchmesser unter der Wirkung starker
Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigungen eine Erhöhung des Stufendruckverhältnisses
ermöglicht wird.
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In der zweiten, austrittsseitig gelegenen Läuferzone mit rückwärts
gekrümmten Schaufeln nimmt der Schaufelneigungswinkel gegen die Umfangsrichtung
bis zum Schaufelaustritt ab, wodurch neben der erwünschten Herabsetzung der absoluten
Austrittsgeschwindigkeit eine relative Beschleunigung der Strömung eintritt, die
einer allzu hohen Schaufelbelastung und dadurch bewirkten Strömungsablösungen entgegenwirkt.
Die Energieübertragung von den Schaufeln auf das Fördermittel kann sich daher ungestört
vollziehen.
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Die beiden sich strömungstechnisch verschieden verhaltenden Läuferzonen
sind infolge des kleines Läuferdurchmessers auf der Eintrittsseite und der größer
werdenden Durchmesser gegen die Austrittsseite hin stark verschiedenen Fliehkraftbeanspruchungen
unterworfen. Der in Strömungsrichtung abnehmende Schaufelwinkelverlauf kann am im
Durchmesser zunehmenden Läuferteil z. B. durch konstante Steigung der Schaufeln
erhalten werden.
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Diesen herstellungs- und betriebstechnischen Verschiedenheiten ist
bei bevorzugten Ausführungsformen des Schleuderverdichters dadurch Rechnung getragen,
daß die beiden Läuferteile in an sich bekannter Weise aus verschiedenem Werkstoff
und getrennt hergestellt werden. Der Eintrittsteil ist infolge seines kleineren
Durchmessers einer geringeren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt als der austrittsseitige
Läuferteil. Zu seiner Herstellung kann daher ein Werkstoff von geringerer Festigkeit
bei weniger Sorgfalt erfordernder Herstellungsart verwendet werden als für den infolge
der hohen Umfangsgeschwindigkeiten höchstbeanspruchten und daher zweckmäßig wenigstens
angenähert als Scheibe von gleicher Festigkeit ohne zentrale Bohrung ausgebildeten
Austrittsteil. So könnte der Eintrittsteil mit seiner Nabe als Gußstück, z. B. aus
Stahlguß, Leichtmetallguß od. dgl.> ausgeführt sein.
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Es wäre auch möglich, die Schaufeln des Eintrittsteiles zusammen mit
der Nabe als Preßstück, z. B. aus einem Kunststoff, wie Bakelit, Preßspan od. dgl.>
anzufertigen. Weiter könnten die Schaufeln und die Nabe des Eintrittsteiles jedes
für sich aus gepreßten Werkstücken hergestellt und beispielsweise durch Schweißung
oder mittels Nabennuten miteinander vereinigt sein. Die Schaufeln des Eintrittsteiles
könnten in einem spanabhebenden Arbeitsverfahren, z. B. durch Fräsen aus dem vollen
oder aus vorgeformtem Material, zusammen mit der Nabe aus einem Stück bestehen.
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Die zweiteilige Ausführung des Verdichterläufers besitzt noch den
Vorteil, daß ein und derselbe austrittsseitige Läuferteil dadurch für verschiedene
Betriebsbedingungen verwendet werden kann, daß mit diesem auswechselbare Eintrittsteile
zusammengebaut werden, weil nur diese in weitem Rahmen den wechselnden Betriebsbedingungen
anzupassen sind. Die Schaufelzahl des bzw. mehrerer Eintrittsteile kann gleich,
kleiner oder größer als diejenige des Hauptläufers sein. Bei gleicher Schaufelzahl
am Eintrittsteil und am austrittsseitigen Läuferteil können diese aneinander angeschlossen
oder gegeneinander versetzt sein.
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Sind die Schaufeln am austrittsseitigen Läuferteil und an einem oder
mehreren Eintrittsteilen gegeneinander versetzt, so können die Winkel beider zur
Umfangsrichtung an der Versatzstelle gleich oder verschieden sein. Die Ausbildung
der Schaufeln könnte in Tragflächenform erfolgen. Baulich kann der Schleuderverdichter
derart durchgebildet sein, daß ein rasches Auswechseln des oder der Eintrittsteile
gegen solche von einer anderen Eintrittscharakteristik möglich ist.
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Den Eintrittsteilen könnten feststehende oder verstellbare Leitschaufeln
vorgeschaltet sein. Bei feststehender Anordnung wäre es möglich, sie als mit dem
Eintrittsgehäuse verbundene Tragrippen zur Aufnahme eines Läuferlagers auszubilden.
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Um die Zuführung des Fördermittels zum Eintrittsteil veränderlichen
Betriebscharakteristiken anzupassen
und hohe Wirkungsgrade über
einen größeren Betriebsbereich zu gewährleisten, können die Leitschaufeln so ausgebildet
sein, daß sie im Stillstand oder während des Betriebes verstellt werden können.
Sie können um die Läuferachse oder um eine diese schneidende oder kreuzende Drehachse
bewegbar sein. Außer den Leitschaufeln könnten auch die Schaufeln eines oder mehrerer
Eintrittsteile in der genannten Weise verstellbar sein. Bei selbsttätig während
des Betriebes verstellbaren Schaufeln könnte die Verstellung unter Heranziehung
von elektrischen, hydraulischen, pneumatischen oder mechanischen Mitteln und in
Abhängigkeit von einer oder mehreren Betriebsgrößen, z. B. vom Druck des Fördermittels,
erfolgen.
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Sofern die Schaufeln der Eintrittsteile und des Leitapparates verstellbar
vorgesehen sind, könnten deren Verstellgetriebe nach einem einen hohen Gesamtwirkungsgrad
gewährleistenden Bewegungsgesetz miteinander gekuppelt sein, wobei die Gesamtverstellung
selbsttätig oder von Hand vorgesehen sein könnte.
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Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind in
der Zeichnung dargestellt. Fig. i zeigt in einem Längsschnitt einen Schleuderverdichter,
dessen Läufer aus einem Stück besteht; Fig. 2 gibt eine seitliche Ansicht des Läufers
wieder; Fig.3 stellt die Schaufelabwicklung nach der Linie 1-I der Fig. 2 dar; Fig.
q. veranschaulicht einen Schleuderverdichter mit einem zweiteiligen Läufer im Längsschnitt;
Fig.5 und 6 zeigen zweckmäßige Schaufelpläne von aus einem Eintritts- und einem
Austrittsteil bestehendem Verdichterläufer in der Abwicklung nach der Schnittlinie
II-II der Fig. q. ; Fig.7 läßt einen Schleuderverdichter in einem Längsschnitt erkennen,
dessen Laufrad vierteilig ausgebildet ist; Fig. 8 gibt einen zugehörigen Schaufelplan
wieder, und zwar abgewickelt nach der Linie III-III von Fig. 7.
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Der Schleuderverdichter nach Fig. i und 2 weist einen Läufer i auf,
welcher mit den rückwärts gekrümmten, schraubenförmig angeordneten Schaufeln 2 diagonaler
Erstreckung versehen ist. Der zentral nicht durchbohrte Läufer i ist an der Welle
3 angeflanscht und fliegend in einer oder mehreren Lagerstellen q. gelagert. An
der Eintrittsseite ist am Läufer i die Deckhaube 5 angeschlossen. Der Läufer i ist
vom Gehäuse 6 umgeben, welches über einen Diffusor 7 in die Austrittsspirale 8 überleitet.
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Die in diagonaler Erstreckung am Läuferkörper i schraubenförmig angeordneten
Schaufeln?, (Fig. i, 2 und 3) weisen zwei Zonen E und F (Fig. 2 und 3) auf. Zu Beginn
der Eintrittszone E schließen die Schaufeln 2 gegen die Umfangsrichtung zc den Neigungswinkel
ß, ein, wie er für gegebene Betriebsbedingungen bei normaler Belastung für stoßfreien
Eintritt aus dem Eintrittsdreieck erhalten wird. Er möge z. B. 3o° aufweisen. In
Strömungsrichtung gemäß Pfeil A nimmt der Winkel bis zu einem Höchstwert ß2 zu,
der z. B. 6o° betrage. In der Austrittszone nimmt der Winkel, den die Schaufelflächen
gegen die Umfangsrichtung einschließen, auf den Austrittswinkel ß3 ab. Der Cosinus
des Winkels ß3 ist größer als das Verhältnis der relativen Geschwindigkeit zur doppelten
Umfangsgeschwindigkeit. Der Winkel wird bei praktisch auftretenden Betriebsverhältnissen
z. B. etwa q.5° betragen.
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Die Trennung der Zonen E und F in Fig. 2 und 3 findet etwa längs der
Linie B-B statt, bei welcher die Schaufelkrümmung einen Wendepunkt zeigt. Während
die Schaufeln bei vorwiegend axialer Erstreckung des Eintrittsteiles eine zunehmende
Steigung und einen zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweisen, kann der Austrittsteil
bei stark radialer und weniger stark axialer Erstreckung eine konstante Schaufelsteigung
besitzen, wodurch die erwünschte Abnahme des Schaufelneigungswinkels gegen die Umfangsrichtung
vom Höchstwert ß, bis zum Austrittswinkel ß3 gewährleistet ist.
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Der Schleuderverdichter nach Fig. q besitzt einen austrittsseitigen
Läuferteil 9, welcher mit den Schaufeln io aus dem vollen Material gearbeitet ist.
Als Werkstoff werden zweckmäßig Leichtmetallegierungen von höchsten Festigkeitswerten
verwendet, z. B. Dural, Elektron u. dgl., um die bei Umfangsgeschwindigkeiten von
400 m/sec und darüber auftretende Fliehkraftbeanspruchung aufnehmen zu können.
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Die Schaufeln io weisen zwecks Vermeidung von Biegebeanspruchungen
in Querschnitten normal zur Läuferachse eine radiale Erstreckung auf. Durch Rückwärtsschraubung
in axialer Richtung schließen sie gegen die Umfangsrichtung einen Winkel ein, dessen
Cosinus größer ist als das Verhältnis der relativen Geschwindigkeit zur doppelten
Umfangsgeschwindigkeit. Dadurch läßt sich trotz über der Schallgeschwindigkeit des
Fördermittels liegender Läuferumfangsgeschwindigkeit die absolute Austrittsgeschwindigkeit
des Fördermittels unter seine Schallgeschwindigkeit bringen und das Auftreten der
Machschen Wellen verhindern.
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Damit der Läuferteil 9 die hohe Fliehkraftbeanspruchung erträgt, ist
er mindestens annähernd als Scheibe gleicher Festigkeit ausgebildet. Zur Vermeidung
von gefährlichen Randspannungen ist dieser Läuferteil 9 ohne zentrale Bohrung ausgeführt
und an der Welle 3 angeflanscht sowie an der Eintrittsseite mit einer zentrierten
Ringnut ii versehen, in welche der zentrische Fortsatz der Nabe 12 des- mit Eintrittsschaufeln
13 ausgerüsteten Eintrittsteiles eingesetzt und gegen Relativdrehung zum Läuferteil
9 gesichert ist. Mittels des in der Nabe des Läuferteiles 9 befestigten Achsbolzens
1q. und der an diesem angeordneten Deckelhaube 15 wird der Eintrittsteil i2, 13
am Läuferteil 9 gegen axiale Verschiebungen gesichert.
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Die Eintrittsschaufeln 13 (Fig. q) sind mit Vorteil tragflügelähnlich
ausgebildet und nach einem der in Fig. 5 und 6 dargestellten Schaufelpläne angeordnet.
Die auf der Eintrittsseite fliegend gelagerten beiden Läuferteile 9 und 12 sind
vom Gehäuse 6 umgeben, das in den Diffusor 7 und die Austrittsspirale 8 übergeführt
ist. DieSchaufelausbildung undAnordnung entspricht im wesentlichen derjenigen von
Fig. i, 2 und 3.
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Der in Fig.7 gezeigte Schleuderverdichter weist einen austrittsseitigen
Läuferteil 9 auf, welcher im
wesentlichen in gleicher Weise ausgebildet
ist wie der in Fig.4 gezeigte Austrittsteil. In die zentrierte Ringnut ii ist ein
erster Eintrittsteil 15 eingesetzt. Dieser besitzt ebenfalls eine zentrierte Ringnut
16, in welcher der mittlere Eintrittsteil 17 gehalten ist. In gleicher Weise ist
der erste Eintrittsteil 18 am mittleren Eintrittsteil befestigt. Im auslaßseitigen
Läuferteil g ist der Achsbolzen ig befestigt, dessen freies Ende einen Teller 2o
aufweist, an dem sich ein Lagerzapfen 21 befindet. Der Teller 2o hält über den Bolzen
ig die Eintrittsteile 15, 17 und 18 in axialer Richtung am Läuferteil g fest. Der
Lagerzapfen ai ist in einer Deckelhaube 22 gelagert, welche an einer Mehrzahl von
Stützrippen 23, die mit dem Gehäuse g verbunden sind, abgestützt ist.
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Die Schaufelung 24 der Eintrittsteile 15, 17 und 18 (Fig.7) können
gemäß dem in Fig. 8 dargestellten Schaufelplan gitterförmig und gegeneinander versetzt
angeordnet sein. Sie könnten aber auch in stetiger Fortsetzung über alle drei Eintrittsteile
hinweg an die Schaufeln io des Läuferteiles g anschließen.
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Sind die Schaufeln des Eintrittsteiles und der Leitvorrichtung anstatt
feststehend verstellbar vorgesehen, so können die beiden Verstellgetriebe nach einem
einen hohen Gesamtwirkungsgrad gewährleistenden Bewegungsgesetz miteinander gekuppelt
sein, wobei die Gesamtverstellung selbsttätig in Abhängigkeit von einer oder mehreren
Zustandsgrößen oder von Hand erfolgen kann. Dadurch läßt sich ein hoher Gesamtwirkungsgrad
über einen größeren Betriebsbereich erzielen.