DE3835622A1 - Radialverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter, speziell einen Diffusor dafür, und zwar besonders einen Diffusor­ schaufeln aufweisenden Mehrstufen-Diffusor für einen Radi­ alverdichter.

Diffusoren werden in Verdichtern eingesetzt, um den Stau­ druck in nutzbares Gefälle umzuwandeln. Selbstverständlich ist es sehr erwünscht, daß diese Umwandlung mit einem Mini­ mum an Verlusten einhergeht, da solche Verluste den Wir­ kungsgrad der den Verdichter verwendenden Maschine ver­ schlechtern.

Eine Möglichkeit zur Verringerung von Diffusorverlusten besteht in der Anwendung eines sogenannten Kaskadendif­ fusors, bei dem die Schaufeln in zwei oder mehr Stufen angeordnet sind. Die Schaufeln der ersten Stufe liegen radial innerhalb der Schaufeln der zweiten Stufe, wobei letztere außerdem abstrom der ersteren in Luftströmungs­ richtung des Diffusors liegen. Beispiele für solche Kon­ struktionen sind z. B. in den US-PS′en 35 88 270 und 38 61 826 sowie in Paper Nr. 72-GT-39 von R.C. Pampreen, veröffentlicht von der American Society of Mechanical Engineers, zu finden.

Zwar werden bei diesen Kaskadendiffusoren Verluste ver­ ringert, aber weil in ihnen transsonische Geschwindigkeiten auftreten, können unerwünschte Stoßwellen erzeugt werden, die Verluste erzeugen und auch in anderer Weise die Lei­ stungsfähigkeit des Diffusors verschlechtern.

Die Erfindung dient dem Zweck, das vorgenannte Problem zu überwinden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Diffusors für einen Radialverdichter. Insbesondere soll ein Kaskadendiffusor angegeben werden, der mehrere Schaufelstufen aufweist und bei dem die Schau­ feln wenigsten der ersten Stufe als überkritische Flügel ausgebildet sind, um im Diffusor auftretende Verluste zu minimieren.

Der Radialverdichter nach der Erfindung mit einem um eine Achse drehbaren Laufrad mit Laufradschaufeln, die von einer radial innen liegenden Position zu einer radial außen lie­ genden Position verlaufen und in radial ganz außen liegen­ den Austrittskanten enden, und mit einem das Laufrad radial im Abstand umgebenden ringförmigen Sammler, der wenigstens eine Druckgas-Austrittsöffnung aufweist, ist gekennzeichnet durch einen zwischen den Austrittsenden und dem Sammler angeordneten ringförmigen Diffusor, der eine radial innen liegende erste Stufe aus einer Mehrzahl von radial inneren Diffusorschaufeln und eine radial außen liegende zweite Stufe aus einer Mehrzahl von radial äußeren Diffusorschau­ feln hat, die jeweils mit einer entsprechenden inneren Dif­ fusorschaufel ausgerichtet sind, wobei jede Diffusorschau­ fel eine Vorderkante und eine Rückkante hat und jede Rück­ kante radial außerhalb der Vorderkante der zugehörigen Diffusorschaufel liegt und in Umfangsrichtung von der Vor­ derkante der zugehörigen Schaufel in Rotationsrichtung des Laufrads versetzt ist, und wobei wenigstens die Diffusor­ schaufeln der ersten Stufe Querschnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt sind.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rückkanten der Diffusorschaufeln der ersten Stufe von den Vorderkanten der Diffusorschaufeln in solcher Weise getrennt sind, daß Hochgeschwindigkeits­ strahldüsen definiert sind.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Diffusorschaufeln beider Stufen Quer­ schnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt sind.

In besonders bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Vorder- und Rückkanten der Dif­ fusorschaufeln durch voneinander beabstandete Hoch- und Niederdruckflächen miteinander verbunden sind und daß die Flügel so angeordnet sind, daß ihre Hochdruckflächen radial außerhalb ihrer Niederdruckflächen liegen.

Ferner sieht die Erfindung vor, daß die Vorderkanten der Diffusorschaufeln der zweiten Stufe in Gasströmungsrichtung vor den Rückkanten der entsprechenden Diffusorschaufeln der ersten Stufe liegen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Radialverdichter nach der Erfindung; und

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht von zwei in einem Diffusor verwendeten Schaufeln.

Nach Fig. 1 hat der Fliehkraft-Radialverdichter von Fig. 1 ein Laufrad 10, das auf einer Welle 12 in Pfeilrichtung 14 drehbar gelagert ist. Die Welle 12 wird von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben, und der Verdichter hat einen Einlaß für das zu verdichtende Gas, wobei dieser Einlaß mit der Rotationsachse der Welle 12 koaxial ist.

Das Laufrad 10 hat mehrere Laufradschaufeln 16, die nach radial außen verlaufen und in ganz außen liegenden Aus­ strömkanten 18 enden. Es ist besonders zu beachten, daß die Auslegung der Laufradschaufeln 16 und der Ausströmkanten 18 konventionell sein kann und keinen Teil der Erfindung bildet.

Ein ringförmiger Sammler 20 ist radial außerhalb des Lauf­ rads 10 dieses umgebend und davon beabstandet vorgesehen. Der Sammler 20 kann von konventioneller Bauart sein und umfaßt gemäß Fig. 1 eine konventionelle Schnecke 22, die sich zum Laufrad 10 hin öffnet und in einer Druckgas-Aus­ trittsöffnung 24 endet.

Zwischen dem Laufrad 10 und dem Sammler 20 ist ein ring­ förmiger Diffusor 26 vorgesehen. Dieser kann wenigstens eine im wesentlichen kreisrunde Platte 28 aufweisen, auf der eine erste Stufe Diffusorschaufeln 30 in einer radial inneren Lage angrenzend an die Ausströmkanten 18 der Lauf­ radschaufeln 16 befestigt ist. Auf der Platte 28 ist ferner eine zweite Stufe Diffusorschaufeln 32 befestigt, die radial außerhalb der ersten Stufe 30 liegen und mit jewei­ ligen Diffusorschaufeln 30 der ersten Stufe ausgerichtet sind.

Die Diffusorschaufeln 30 und bevorzugt auch die Diffusor­ schaufeln 32 haben Querschnitte, die als überkritische aerodynamische Körper bzw. überkritische Flügel ausgelegt sind. Der Ausdruck "überkritischer Flügel" wird hier im konventionellen Sinn verwendet und bezieht sich auf einen Flügel, der charakteristisch eine sehr geringe Wölbung im vorderen Teil und eine starke Wölbung im hinteren Teil aufweist.

Die Diffusorschaufeln 30 haben Hochdruckseiten 34, während die Diffusorschaufeln 32 Hochdruckseiten 36 aufweisen. Ferner haben die Diffusorschaufeln 30 Niederdruckseiten 38, und die Diffusorschaufeln 32 haben Niederdruckseiten 40. Im vorliegenden Zusammenhang ist die Niederdruckseite die­ jenige Seite, die dem geringsten Druck ausgesetzt wäre, wenn die Schaufeln als Flügel eingesetzt würden. Mit ande­ ren Worten würde, wenn die Schaufeln als Flügel eingesetzt würden, ein Auftrieb im aerodynamischen Sinn gegen die Hochdruckflächen 34 und 36 wirken.

Wo die Flächen 34 und 38 der Diffusorschaufeln 30 zusammen­ laufen, sind Vorderkanten 42 und Rückkanten 44 relativ zur Richtung der vom Laufrad 12 kommenden Strömung gebildet. Die Diffusorschaufeln 32 haben ebenfalls Vorderkanten 46 und Rückkanten 48, und aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Vorderkanten 46 der Diffusorschaufeln 32 der zwei­ ten Stufe in Gasströmungsrichtung (Pfeile 50 in Fig. 2) vor den Rückkanten 44 der entsprechenden Diffusorschaufeln 30 der ersten Stufe liegen. Die Vorderkanten 46 sind ferner von den Rückkanten 44 geringfügig beabstandet, und infolge­ dessen werden an diesen Stellen Hochgeschwindigkeitsstrahl­ düsen 52 für das verdichtete Gas gebildet.

Aufgrund dieser Konstruktion werden die Stoßwellen, die an den Niederdruckflächen von Flügeln konventioneller Bauart bei transsonischen Geschwindigkeiten vorhanden sind, mini­ miert, wodurch eine Ursache für eine Verminderung des Wir­ kungsgrads minimiert wird. Durch die Anwendung einer über­ kritischen Flügelausbildung bei der Konstruktion der Schaufeln 30 erhält man ferner eine sehr gute Grenzschicht­ beeinflussung, und die radiale Länge des Diffusors kann minimiert werden.

Die Tatsache, daß die Stoßwellen veringert werden, trägt dazu bei, den Luftstrom an den Flächen 34, 36, 38, 40 auf­ rechtzuerhalten, wodurch ein größerer Prozentsatz des Ober­ flächenbereichs der Diffusorschaufeln 30 und 32 im Sinn eines verbesserten Wirkungsgrads genützt wird. Ebenso tra­ gen die Gasstrahldüsen 52 zur Aufrechterhaltung des Luft­ stroms an der Oberfläche der Schaufeln 32 bei, so daß die Schaufelfläche wirksamer genützt wird, was die oben er­ wähnte relativ geringe radiale Länge ermöglicht.

Claims (6)

1. Radialverdichter mit:
einem um eine Achse drehbaren Laufrad mit Laufradschaufeln, die von einer radial innen liegenden Position zu einer radial außen liegenden Position verlaufen und in radial ganz außen liegenden Austrittskanten enden, und einem das Laufrad radial im Abstand umgebenden ringförmigen Sammler, der wenigstens eine Druckgas-Austrittsöffnung aufweist, gekennzeichnet durch
einen zwischen den Austrittsenden (18) und dem Sammler (20) angeordneten ringförmigen Diffusor (26), der eine radial innen liegende erste Stufe aus einer Mehrzahl von radial inneren Diffusorschaufeln (30) und eine radial außen lie­ gende zweite Stufe aus einer Mehrzahl von radial äußeren Diffusorschaufeln (32) hat, die jeweils mit einer entspre­ chenden inneren Diffusorschaufel (30) ausgerichtet sind, wobei jede Diffusorschaufel (30 bzw. 32) eine Vorderkante (42 bzw. 46) und eine Rückkante (44 bzw. 48) hat und jede Rückkante (44 bzw. 48) radial außerhalb der Vorderkante (42 bzw. 46) der zugehörigen Diffusorschaufel (30 bzw. 32) liegt und in Umfangsrichtung von der Vorderkante der zuge­ hörigen Schaufel in Rotationsrichtung des Laufrads (10) versetzt ist, und
wobei wenigstens die Diffusorschaufeln (30) der ersten Stufe Querschnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt sind.

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkanten (44) der Diffusorschaufeln (30) der ersten Stufe von den Vorderkanten (46) der Diffusorschau­ feln (32) der zweiten Stufe so getrennt sind, daß Hoch­ geschwindigkeitsstrahldüsen (52) definiert sind.

3. Radialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorschaufeln (30, 32) beider Stufen Quer­ schnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt sind.

4. Radialverdichter mit: einem um eine Achse drehbaren Laufrad mit Laufradschaufeln, die von einer radial innen liegenden Position zu einer radial außen liegenden Position verlaufen und in radial ganz außen liegenden Austrittskanten enden, und
einem das Laufrad radial im Abstand umgebenden ringförmigen Sammler, der wenigstens eine Druckgas-Austrittsöffnung aufweist, gekennzeichnet durch
einen zwischen den Austrittsenden (18) und dem Sammler (20) angeordneten ringförmigen Diffusor (26), der eine radial innen liegende erste Stufe aus einer Mehrzahl von radial inneren Diffusorschaufeln (30) und eine radial außen lie­ gende zweite Stufe aus einer Mehrzahl von radial äußeren Diffusorschaufeln (32) hat, die jeweils mit einer entspre­ chenden inneren Diffusorschaufel (30) ausgerichtet sind, wobei jede Diffusorschaufel (30 bzw. 32) eine Vorderkante (42 bzw. 46) und eine Rückkante (44 bzw. 48) hat, die durch voneinander beabstandete Hochdruckflächen (34 bzw. 36) und Niederdruckflächen (38 bzw. 40) miteinander verbunden sind,
wobei jede Rückkante (44 bzw. 48) radial außerhalb der Vorderkante (42 bzw. 46) der zugehörigen Diffusorschaufel (30 bzw. 32) liegt und in Umfangsrichtung von der Vorder­ kante der zugehörigen Diffusorschaufel in Rotationsrichtung des Laufrads (10) versetzt ist, und
wobei wenigstens die Diffusorschaufeln (30) der ersten Stufe Querschnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt und so angeordnet sind, daß ihre Hochdruckflächen (34) radial außerhalb ihrer Niederdruckflächen (38) liegen.

5. Radialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten (46) der Diffusorschaufeln (32) der zweiten Stufe in Gasströmungsrichtung vor den Rückkanten (44) der entsprechenden Diffusorschaufeln (30) der ersten Stufe liegen und davon geringfügig beabstandet sind, so daß Hochgeschwindigkeitsstrahldüsen (52) definiert sind.

6. Radialverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusorschaufeln (32) der zweiten Stufe Quer­ schnitte haben, die als überkritische Flügel ausgelegt und so angeordnet sind, daß ihre Hochdruckflächen (36) radial außerhalb ihrer Niederdruckflächen (40) liegen.