DE7213730U

DE7213730U - Ueberschall-kreiselverdichter

Info

Publication number: DE7213730U
Application number: DE19727213730U
Authority: DE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-04-13
Filing date: 1972-04-12
Publication date: 1972-08-10
Also published as: JPS4736107A; FR2133195A5; JPS5750950B2; IT954645B; BE781721A; GB1382108A; CA966104A; US3824029A

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.

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.

Da Überschall-Kreiselverdichter außerdem vorzugsweise in Verdichtersätzen verwendet werden sollen, ist es ferner

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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.

Bei den bekannten Verdichtern ist schließlich die Steuerung schwierig, da sie von mehreren Parametern abhängt.

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.

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 verbundene

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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.

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.

Die Neuerung wird anhand dor Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein AusfUhrungsbeispiel des neuerungsgemäßen Kreiselverdichters entlang der Schnittebene I-I in Fig. 2;

Fig. 2 eine Horizontalansicht entlang der Schnittebene 2-2 in Fig·- 1 ;

Fig. 3 eine Ansicht eines abgewandelten Ausführung;-hsi »piftlfi entlang der vertikalen Schnittebene 3-3 in Fig. 4;

Fig. k eine Ansicht dieses abgewandelten Ausführangs-

beispiels entlang der Schnittlinie ^!'-k in Fig. 3; und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Durchsatzes von den Verdichtungsverhältnissen für
ein Ausführungsbeispiel des neuerungsgemäßen
Verdichters angibt.

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.

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, divergierende

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.

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.

Der eben beschriebene Verdichter arbeitet wie folgt;

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.

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.

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.

Die gewählte Form der stetigen Änderung der Seitenwände dieses Diffusors gestattet auch, maximal die EnergieVerluste zu verhindern.

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.

Die praktische Erprobung hat auch bewiesen, daß dieser Verdichter außerdem pulsierungs(pump)frei ist.

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.

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.

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-

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.

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.

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.

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-

tfii strom P mit«rerissen wird, der die Spiralkammer verläßt und in die Düse eindringt.

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.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der bauliche Unterschied, der daraus für das ortsfeste Bauteil folgt, ■ den Anbau der Strahlpumpe erlaubt, während die anCirsn

Merkmale dieses Verdichters mit dem in Fig. ) und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Neuerung identisch sind.

Claims

Schutzansprüche

1. Überschall-Kreiselverdichter oder -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 Strömung richtung eines zu verdichtenden Fluids folgt, wobei der ortsfeste Diffusor aus einer Spiralkaniraer besteht, die durch eine damit tangential verbundene Düse verlängert ist, während der Läufer durch zwei gleichachsige Flügel gebildet ist, die durch radiale Schaufeln verbunden sind, deren Radxus größer als der Radius der Schaufeln ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen radialen Abmessungen der Schaufeln (9) und der Flügel (7, 8) so groß sind, daß die Geschwindigkeit am Auslaß des umlaufenden Diffusors (10) etwas im Überschallbereich liegt, und daß dia einen Schall-Einlaßquerschnitt (s) aufweisende Düse (12) gerade ist und divergiert, so daß eine Rekompressionsstoßwelle in der Fluidströmung in der Nähe der Verbindungsstelle der Düse (12) mit der Spiralkammer (11) erzeugt wird.

2. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Diffusor (1) eine glatte Wand mit Unstetigkeitsstellen (15> 10) hat.

3. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (3) zusätzliche Schaufeln (i3_f 1*0 hat, die an der Außenseite der beiden Flügel (7, 8) des

Läufers an₆ebracht sind und in Hohlräume (15, 16) eingreifen, die in der Innenwand des Ständers (i) vorgesehen sind.

h. Kreiselverdichter nach Ansprich 1. gekennzeichnet durch eine Einsprirzleitung (22) für ein zweites Fluid, die in die Düse (12) im wesentlichen an deren Einlaß (s) mün-'let, um eine Strahlpumpe (21 ) zu bilden, durch die das zweite Fluid (f) vom die Spiralkammer (11) verlassenden ersten Fluid (F) mitgerissen und mit diesem in der Düse (12) vermischt wird (Fig. 3, k).

5. Kreiselverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer (3) ein vorderes Schaufelrad (5) stromaufwärts zu den radialen Schaufeln (9) hat.