DE1428170A1 - Mehrstufige Radialturboarbeitsmaschine,insbesondere mehrstufiger Radialverdichter - Google Patents

Description

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Frankfurt/Main, Theodor-Stax-n-Kai 1

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PB 2θο756 j L/Γ* DXpi. I ·8ο4*63

Mehrstufige Hadialturboarbeitsmaschlne, insbesondere mehrstufiger Radialverdichter

Die Erfindung besieht sich auf eine mehrstufige Badialturboarbeitsmäschine, insbesondere einen mahrstufigen Radiilverdiohter, mit mehreren hintereinander durohströmten Lauf rädern, die gemeinsam auf einer .eile Bitten und deren Außenradien in Duronströmriohtung der Maschine abnehmen, vorzugsweise mit Leitsohaufelkränzen, die die Austritte genannter Laufrüder umgeben, und/oder ZwleohenkUhlern, die zwischen genannten ( Laufrädern vorgesehen »ind.

Die Weiterentwioklung solcher Maschinen hat sich inebeso erstens Bit der Verbesserung des Masohinengesamtwirkungsgrades Über einen möglichet weiten Arbeltsbereich, zweitens mit der Herabsetzung der Pumpgrenze und drittens mit der JSrhöhung der Stüfenförderhöhe im Interesse einer Verminderung des Leistung*- gewiohtes und damit der Herstellungskosten zu befassen,, Die gleichzeitige Erfüllung dieser drei Forderungen lot reoht schwierig und naoh geläufiger Auffassung gar nichirohne weiteres möglich, da wohl Mittel und »ege bekannt sind, einer dieser Forderungen zu entsprechen, deren Erfüllung aber auf Kosten -einer der anderen Forderungen geht. Die Erfindung gibt Mittel an, diese drei Forderungen gleichzeitig zu erfüllen, wobei die Wirkungsgrade von Stufen und/oder Stufengruppen, in Durohströmriohtung der Masohine gesehen, nicht eo stark wie bisher schlechter werden sollen oder sogar gleich groß bleiben sollen.

Die Schwierigkeiten des B uee von Turboarbeitamajohinen mit gutem Wirkungsgrad und günstigem Pumpverhalten liegen insbesondere in den Vorgangen dor Ablösung der Grenzschicht begründet. Die Ablösungsgefahr und damit die Möglichkeit der

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Wirbelbildung mit ihren hohen Verlusten und damit auch das unstabile Arbeiten im Pumpberaich besteht stets in Strömungsgebieten mit Druckanstiege Der Beginn der Ablösung ist durch die Bedingung gegeben, daß der Geschwindigkeitsgradient senkrecht zur Wand gegen Null geht,, Von diesem Punkt auegehend erfolgt anschließend in Bezug auf die normale Strömungsrichtung eine Ruckströmung in Wandnahe und damit eine sehr starke Zunahme der Grenz schichtdicke,,

Allgemein wird bei mehrstufigen Turboarbeitsmaschinen ent· sprechend dem Reaktionsgrad der einzelnen Stufen ein wesentlicher Teil dee Gesamtdruckes durch Umsetzung von Geechwindigkeitsenergie in statischen Druck in feststehenden« Laufrädern nachgeschalteten Leitvorrichtungen (Diffusoren) erzeugt. Es ist augenscheinlich« daß gerade auch auf den Wirkungsgrad dieser Umsetzung besonderer Wert gelegt werden mufi, wenn ein guter Stufengesamtwirkungagrad erreicht werden sollo

Eine Reihe von Messungen und Beobachtungen hat nun gezeigt* daß bei Radialturboarbeitsmasohinen der Radwirkungsgrad, der also die Umsetzung der kinetischen Energie in «tatIschen Druck hinter dem Laufradaustritt nicht umfaßt, bei richtiger Auelegung und Quersohnittsbemessung recht hoch ist und meist zwischen etwa 84 i° und etwa 88 ^cß> liegt _t während der Stufen·» gesaintwirkungsgrad beachtlich unter diesen Warten liegt· Der Grund für diese Minderung ist der, daß der Wirkungsgrad d©r Umsetzung der kinetischen Austrittsenergie in statischen Druck schlechter ist als der Radwirkungsgrado

Aus diesem Grunde erhöht man den im Laufrad zu erzeugendem etatischen Brück, und zwar durch Anwendung eines umlaufendem₉. schaufellosen Diffus or es, der im Laufrad radial außerhalb der Laufradbeschaufelung vorgesehen und im allgemeinen durch nach auSen verlängerte Radeeitenwände gebildet ist. Der auf die den Laufrad nachgeschaltete Leitvorrichtung entfallende Anteil der in statischen Ds?uok umzusetzenden Förderhöhe ist nun verringert, und darüberhinaus ist die Strömung im Laufrad selbst weitgehend guegeglieti©a§ isisbeeonäere sind die sogenanntesi

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Nachlaufdellen praktisch verschwundene Es ist also eine recht gleichmäßige und geordnete Strömung im Laufradaustritt vorhanden, die wiederum die unbedingte Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad der dem Laufrad nachgeschalteten Leitvorrichtung ist, so daß also durch die Anwendung des genannten anlaufenden, schaufelloaen Diffusorβ auch der Wirkungsgrad der dem Laufrad nachgeschalteten Leitvorrichtung erhöht wird₀ Ba eine starke Erweiterung des umlaufenden Diffusors zulässig ist, ohne daß Gefahr der Ablösung der Strömung besteht» so erhält die dem Laufrad naohgeschaltete Leitvorrichtung gegenüber einer normalen Auslegung eine wesentlich größere axiale Eintritt sbreite, was den Wirkungsgrad dieser Leitvorrichtung noch weiter erhöhte

Die Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen Diffusors bringt Erhöhungen sowohl des Stufenwirkungsgrades als auoh der Stufehförderhöhe und ferner gleichzeitig eine Herabsetzung der Pumpgrenze.

Bei einer hochwertig ausgelegten mehrstufigen Turboarbeitsmesohine werden nun die Laufradaußendurohmesser von Stufe zu Stufe in allgemeinen kleiner. Das erste Laufrad hat den größten AuBendurchmesser und damit die größte Außenumfangsgesohwindigkeit u«» deren Grenzwert U₀a„ vom verwendeten Werkstoff und der konstruktiven Gestaltung des Laufrades abhängt, aber mit Rucksloht auf die erzielbare Stufenförderhöhe so hoch wie möglich liegen sollte. Die Anwendung eines umlaufenden, schaufellosen Diffusors 1st fUr die erste Stufe also dann recht schwierig, wenn die Außenumfangsgesohwindigkeit u« den Laufrades dieser Stufe bereits die mögliche G-renzumfangsgeschwindigkeit ha to Andererseits ist aber eine Anwendung eines solchen Diffusors für die erste

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Stufe gar niöbt unbedingt notwendig, da der Wirkungegrad der ersten Stufe im allgemeinen recht gut ist; dort Bind nämlich die axiale Laufradaustrittsbreite und damit die axiale Eintrittebreite der naohgeschalteten Leitvorrichtung genügend groß» während für di© nachfolgenden Stufen trotz kleiner werdender Laufraddurehmesaer dieee Breiten von Stufe zu Stufe kleiner werden«, Hierin liegt der Hauptgrund für die von Stufe zu Stufe schlechter werdenden Wirkungegrade„ Bei geringen Verhältnissen Von Laufradaustrittsferelt© hg zu Laufradaußendurohmesser D« (^/-^ ^un^ ^au°k *>ei sehr ge« ringen absoluten Vierten von bg ($m Bereich von 5 Me 15 raa) ist der Anteil der Grenzsehichtdieken am Ggsamtströiauügsprofil Überaue groß,, so daß der Wirkungsgrad erheblich

Zur Lösung der anfange genannten Aufgab® wird nun gen, in Durchetrömriohtung de? Maschine in atelgsnfiem Maße vom Prinzip des umlaufenden; schauf®lloeen Siffueora Gebrauch zumachen. Die Erfindung besteht darin, das bei Anwendung von umlaufenden, schaufelloaen, in genannten Laufradern radial außerkalb der Laufradbesohäufelungen vorgesehenen Diffuseren in Durchströmrichtung der Maschine die Verhältnisee dea Laufradaußenradius sum Laufradbeachaufelungsaußenradius und/oder der axialen Laufradauetrittsbreite zur Laufsohaufelauetrittebreite zunehmen₀ Dabei könnsn in Durchetrömrichtung der Maschine auch die radialen üratreckungen der Diffuaoren und/ oder die Diffueorerweiterungsv/inkel zunehmen» Im Grenzfall kann unter bestimmten VorausSetzungen erreicht werden, daß die axialen Laufradaustrittsbreiten aller Stufen gleich groß bleiben oder aber in Durchetrömrichtung der Maschine nur wenig abnehmen,, Doch ist eine solche starke Steigerung der axialen Laufradaustrittebreiten gegenüber der Mormalauslegung im allgemeinen nicht erforderliche

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Die inebeeondere aus Gründen der Scheibenreibung erforderliohe Abnahme der Laufradauöenradien in Durchströmriohtung der Maechine gesehen kommt der genannten Zunahme der Diffusorerwelterungswinkel zugute, da die abnehmenden Umfangsgeschwindigkeiten U₂ feetigkeitemaöig eine Zunahme dieser Winkel und sogar Erweiterungewinkel bis zu </ » 9o^c gestatten₀ So große Erweiterungewinkel werden insbesondere bei den letzten Stufen angewendet«

Ss hat sloh gezeigt, dafl duroh die Erfindung auch die Pumpgrenze stark herabgesetzt wird und in bestimmten Fällen sogar eine Pumpgrenze Überhaupt nicht vorhanden 1st, Dies 1st daduroh zu erklären, daß der umlaufende, aohaufellose Diffusor welteetgehend unempfindlich ist gegenüber Änderungen der An- ( strömriohtung. Bsi mehrstufigen Verdichtern tritt das Pumpen zuerst vorzugsweise in den letzttn Stufen des Verdichters auf. Oemkfl der Erfindung wird nun gerade zu den letzten Stufen hin da· Prinzip des umlaufenden Diffueors in verstärktem Mafia zur Anwendung gebracht und damit erreicht, daß bei den bisher am meisten gefährdeten Stufen die Pumpgrenz· außerordentlich stark herabgedruckt oder sogar beseitigt wird. Mn gutes Teillastverhalten, Insbesondere dieser Stufen b«w₀ Räder, wird dadurch erzielt, daS die Laufschaufeln profiliert sind, wobei ihre Profilhöhe zum Xraufschaufelaustritt hin stetig abnimmt. Somit ist dl« Strömung in den Laufradaustritten der letzten Stufen gleiohmäßig und geordnet; die genannten Faohlaufrollen, d_oho die ungleichmäßige Verteilung der Austritts- " geschwindigkeit des Lsufradstromes, sind bzw. ist praktisch verschwunden. Im Grenzfalle können die Austrittekanten der Laufschaufeln messerscharf ausgebildet sein, soweit herstellungsteohnisohe oder auch betriebstechnische Belange dies zulassen»

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In der Seicshnung sind als Ausftlhrungsfceispiel die drei zueret durotifloaaenen Stufsn sines mindestens vierstufigen Radialverdichters gemäß der Erfindtang im Längsschnitt darge stellt O

Diese drei Stufen Bind mit 11₉ 12 und 13 "bezeichnet» die zugehörigen lauf räder mit 29 ₉ 3o und 31 und iie Durohatrömrichtung der Maschine mit U» Die Laufrader 29»3o und 31 sitzen gemeinsam auf der Maschinenteil® Io_a Die Auß©2&radlen. der lauf räder 29»3o und 31 nehmen in. DurchetrSrario^tnMg 14 was durch tie ßtricfepunktiert© Linie 27 geke-msz al atmet iet_e Jedes der laufräder 291 bis 31 ist von ®i&9m feststehend©» Lsitsohaisfelkfamig (Diffmsor) isingeläeno Diese isitsohaiifelkränze sind mit 32 Isis 34 bezeichnet» Infclg® des' sbneiiaendem Volmmens ä&a Arbeitemittela werden die Kanelq^erschnitte 17 und 18 Ton Stufe zu Stufe enger,

Die Erfindung ist nur auf Sie Stufen 12_S 13 ff angewendet₉ Sa₀ insbesondere bei ^renzleietungsverSichtexm« die erst· Btui't ohnehin einen guten Wirkungsgrad auf waists Sie· lauf rääer 5os 31 ff weisen jeweils einen sefaaufellosen Diffusorraum 19₉f8 ff auf. -Die radialen J&lrstreckungen 2o_s 21 ff der Diffuseren bzw. Diffusorräume 19*28 nehmen in Durchströariohtung '14s. mit fortschreitender Stufenzahl« bis zu einem Grenzwert sii V/eiterhin nehmen in DurohBtrömriohtung 14 die Diffuaorer-Weiterungswinkel 22» 23 ff bis zu einem örenswert von etwa 9p° zu. Das hat zur Polge_fl daß die relatives, axialan Verbreiterungen der Leitschaufelkriinze 33 _s 34 gegenüber dem Normalfall in Durchatrömriohtung 14 bedeutend vergrößert den kunnenjgemae diesem Ausfiihrungsbeiepiel sind die axialen Breiten 15 des Lauf radaustritt a und des Leitschaufelkranz«^ der Stufe 13 sogar etwa so groß wie die entsprechenden axialen Breiten der ersten Stufe 11₀. Damit werden die Verlust©

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durch die Grenzschichtreibung wesentlich herabgesetzt und somit die Stufenwirkungsgrade erheblich -verbessert« Mit dieser Verbesserung der StufenwirkungBgrade wird gleichzeitig der ßesämtwirkungsgrad der Maechine wesentlich angehoben. Gleichzeitig werden die anderen genannten Teilaufgaben gelöst«

An die beschaufelten Leitsohaufelkränze 32 bis 34 schließen sich Übliche Sammelkanäle bzw. -Spiralen 24 bis 26 an„ Es kann sich dabei jeweils um zwei sich jeweils über 18o° erstreckende Spiralen handeln. Daran kann sich ein Zwischenkühler anschließen , aus dem das arbeitsmittel dann der nächsten Stufe zuströmt. Gerade flir mehrstufige !Radialverdichter mit Zwischenkühlung ist die Erfindung von wesentlicher Bedeutung«, Bei solchen Verdichtern werden die Kanalquerschnitte Infolge des wegen der Zwischenkühlung in Strömungsrichtung 14 noch stärker abnehmenden Volumens des Arbeitsmittels noch stärker enger; speziell in den letzten Stufen des Verdichters wird der Grenzschichteinfluß dann sehr stark. Z.B. durch große Diffusorerweiterungewinkel wird dieser Einfluß weitgehend gemindert.

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Claims (1)

1. ™₉ -■ H28170

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   PatentansprH -°uk *

   Dr. Expl.

   -Iy Mehrstufige Radialturboarbeitsmaschine_? insbesondere mehr-* stufiger Radialverdichter,, mit mehreren hintereinander durchströmten Lauf rädern, die gemeinsam auf einer V/elle aitssen und deren Außenradien in Durohetrömrichtung der Maschine ab» nehmen f, vorssugBweiae mit Leitschaufelkranz en, die dia Austritte genannter Laufräder umgeben, und/oder Zwigotjenkühlern, die zwischen genannten Laufradern vorgesehen sindj, dadurch gekennzeichnets, daß bei Anwendung τοπ umlaufenden, schaufellosenjiri genannten Laufradern (3o_f31) radial außerhalb'der Laufradbeschaufelungen vorgesehenen Diffueoren, (19r>^®) in Durchströmrichtung (H) der Maschine die Verhältniese ä©s Laufradaußanradiuß (35) zum Laufradbeschaufeluagsawßeiuraaiue (56) uad/oder der axialen LaufradauetrlttB%?©ite (15) ^ur LaufSchaufelaustrittsbreite (37) zunehmsn»

   2e Mehrstufige Radialturboarbeiteuaschiae nach -«agprueh 1» dadurch gekennzeichnetρ daß in DurchstrSmrichtung (14) der Maschine die radialen Eratre.eteag©n (2o_e2i) der Diffta,e©rea (19,28)

   Mehrstufige Radialarbeitaturbomaachine nach Anspruoti 1 ©d®r dadurch gekennzeichnet, daß in Durchstrßmrichtuag (14·) der Maschine die Diffußorerweiterungewinkel (22₉23) srume.femen₀

   Mehrstufige Radial turboarbeit amaschine nach Anspruch 1,2 oder 3s dadurch gekennzeichnet» daß die Laufschaufeln profi liert sind, wobei ihre iTofllhöhe zum LaufschsufeXimsstritt (Laufradbeechaufelungsaußenradiuö 36) hin stetig abninaato

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   Mehrstufige BadialturboarbeitemaHichirse nach einem der An~ eprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er vom zweiten Laufrad (3o) ab genannte aohaufellose Diffusoren (19«28) aufweist und in Durohetrbmriohtung (14) der Maschine genannte OrUBen zunehmen»

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