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Dokumentenidentifikation DE202006020187U1 03.01.2008
Titel Radialverdichter
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 202006020187
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 03.01.2008
Registration date 29.11.2007
Application date from patent application 29.06.2006
File number of patent application claimed 10 2006 030 161.7
IPC-Hauptklasse F04D 29/44(2006.01)A, F, I, 20070926, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Radialverdichter mit einem Laufrad, das eine Nabe und davon abstehende Schaufeln aufweist, und einem das Laufrad umgebenden Diffusor mit Flügeln zur Lenkung und Verlangsamung der das Laufrad verlassenden Strömung zur Erzielung eines Druckaufbaus.

Radialverdichter bestehen aus einem Laufrad mit meist axialem Eintritt und einem radialen Austritt. Das Gas tritt aus dem Laufrad mit hoher Geschwindigkeit aus, die sowohl eine radiale als auch eine tangentiale Komponente hat. Die kinetische Energie des zu verdichtenden Gases wird in einem Diffusor in potenzielle Energie in Form von Druck umgewandelt. Der Diffusor wird durch zwei nichtrotierende Ringe, die an den Laufradaustritt anschließen und senkrecht zur Drehachse oder zu dieser in einem sehr stumpfen Winkel stehen, gebildet.

Das aus dem Laufrad austretende Gas wird zwischen diesen beiden Wänden geführt. Häufig haben Diffusoren Flügel zur Lenkung und besseren Steuerung der Verlangsamung der Strömung. Die Diffusoren haben Flügel zur Lenkung und Verlangsamung der das Laufrad verlassenden Strömung. Die Verlangsamung tritt in Folge des mit größerem Radius größer werdenden Querschnitts ein. Die Flügel der Diffusoren sind generell tangential zum Laufrad ausgerichtet. Bei Keildiffusoren sind die Flügel keilförmig gestaltet und geradlinig. Die Flügelprofile sind so gestaltet, dass ihre Druckverluste gering sind. Nachteilig ist die hohe Umfangsgeschwindigkeit am Austritt des Diffusors.

Eine weitere bekannte Art, eine Verlangsamung der Gasströmung mit geringen Verlusten zu realisieren, sind sogenannte Pipe-Diffusoren. Diese Bauart ist aufwendig und benötigt einen großen Bauraum. Es existiert ein nur sehr kurzer radialer Diffusor aus parallelen Wänden. Im Anschluss wird der Massenstrom in Teilmassenströme unterteilt und diese werden in einzelnen gekrümmten Rohrbögen verlangsamt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Radialverdichter zu schaffen, der eine verlustarme Verlangsamung und Umlenkung der Strömung im Diffusor bewirkt und auch eine drallfreie bzw. drallarme Abströmung ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Radialverdichter ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Bei ihm haben die Flügel des Diffusors eine Skelettlinie, deren Anstellwinkel sich mit zunehmendem Abstand von der Laufradachse vergrößert. Die Flügel sind somit in Bezug auf die vom Laufrad erzeugte Anströmung konkav gekrümmt, so dass sie das tangential zum Laufrad anströmende Gas zunehmend in radiale Richtung umlenken. Dadurch verringert sich die kinetische Energie des Gases, die in potentielle Energie, nämlich Druck, umgewandelt wird. Die Energieumwandlung erfolgt verlustarm und innerhalb einer kurzen Wegstrecke. Der erfindungsgemäße Radialverdichter ist mit geringem baulichen und konstruktiven Aufwand zu realisieren.

Einsatzgebiete des Radialverdichters sind beispielsweise Turbolader, Flugtriebwerke, Gasturbinen und Anwendungen in der Verfahrenstechnik, beispielsweise in Luftzerlegungsanlagen und Pipelines.

Vorzugsweise beträgt der Anstellwinkel der Skelettlinie am radial äußeren Ende annähernd 90°. Diese Angabe bedeutet einen Spielraum +/–10%. Der hohe Anstellwinkel bedeutet eine nahezu vollständige Aufhebung der tangentialen Geschwindigkeitskomponente und eine effektive Umwandlung in Druckenergie. Der Anstellwinkel der Skelettlinie am radial äußeren Ende beträgt vorzugsweise mehr als 60°, insbesondere mehr als 80°.

Die Vergrößerung des Anstellwinkels mit zunehmendem Abstand von der Laufradachse bedeutet eine ständige bzw. stetige Vergrößerung von innen nach außen, was zu der konkaven Flügelform in Bezug auf die durch das Laufrad erzeugte Anströmung führt.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die Zeichnungen nur als eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung und nicht einschränkend zu verstehen sind.

Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht des Laufrades und des Diffusors bei geöffnetem Gehäuse,

2 einen Axialschnitt durch den Radialverdichter,

3 eine Darstellung der Flügelform des Diffusors,

4 eine perspektivische Ansicht des Diffusors und

5 eine Darstellung der Strömungsverhältnisse im Diffusor.

Der Radialverdichter weist ein Laufrad 10 auf, das um eine Achse 11 mit hoher Drehzahl rotiert. Das Laufrad 10 besitzt eine Nabe 12 und davon radial abstehende Schaufeln 13. Die Nabe 12 hat einen ersten Bereich 12a, der im wesentlichen zylindrisch ist, einen Übergangsbereich 12b, in dem sich der Nabenradius nach Art einer Hyperbel erweitert, und einen Endbereich 12c, der im wesentlichen senkrecht zu der Achse 11 verläuft. Das axial einströmende Gas wird durch das Laufrad 10 in Rotation versetzt und verlässt das Laufrad in radialer Richtung zur Achse 11 und in einem stumpfen Winkel zu der Achse 11. Die Schaufeln 13 sind an einer gemeinsamen Rückenplatte 14 der Nabe 12 befestigt. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Bauformen des Laufrades möglich. Die obige Beschreibung betrifft nur eine der zahlreichen möglichen Bauweisen. So kann beispielsweise der Leitradeintritt unter einem spitzen Winkel zur Drehachse verlaufen und der in dem Gehäuse gebildete Kanal kann unterschiedliche Kurvenverläufe aufweisen, die vom Konstrukteur nach den jeweiligen Anforderungen festgelegt werden.

Das Laufrad 10 befindet sich in einem Gehäuse 15, dessen Wand 16 der Außenkontur des Laufrades angepasst ist.

Das von dem Laufrad 10 gebildete Gebläse weist einen axialen Einlass 17 und eine sich um den Umfang des Laufrades erstreckenden radialen Auslass 18 auf.

Die Schaufeln 13 des Laufrades sind in der in 1 dargestellten Weise gekrümmt.

An den Auslass 18 schließt sich der Diffusor 20 an, der mit dem Gehäuse 15 fest verbunden ist und nicht rotiert. Der Diffusor 20 weist eine im wesentlichen radiale Tragwand 21 auf, an der Flügel 22 angebracht sind, welche die den Auslass 18 passierende Strömung leiten. Die Flügel 22 verlaufen im wesentlichen radial zur Achse 11, wobei ihr genauer Verlauf im Folgenden noch näher erläutert wird. Zwischen den Flügeln 22 sind Diffusorkanäle 23 gebildet, deren Querschnittsfläche von innen nach außen zunimmt. Die Aufgabe des Diffusors 20 besteht darin, das von dem Laufrad 10 beschleunigte Gas, das eine hohe kinetische Energie hat, zu verlangsamen und die kinetische Energie in Druck umzusetzen. Der Umfang des Diffusors 20 ist mit einem (nicht dargestellten) Druckauslass verbunden.

4 zeigt eine perspektivische Darstellung des Diffusors. Die Tragwand 21 ist kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei sie vom Diffusoreinlass 25 bis zum Diffusorauslass 26 zurückweicht. Die Flügel 22 haben an ihren inneren Enden am Diffusoreinlass 25 eine relativ spitze abgerundete bzw. konturierte (Vorder-)Kante 27. Ihre Breite B (1) vergrößert sich stetig nach außen hin bis zu einer markanten breiten Hinterkante 28. Die Flügelform ist in 3 verdeutlicht. Der Flügel 22 hat eine Skelettlinie 30, die die Mittellinie der Breite B repräsentiert. Die Skelettlinie hat im Zuströmbereich einen Anstellwinkel &bgr;1 in Bezug auf einen Kreis 31 um die Achse 11. Der Anstellwinkel &bgr;1 entspricht der Zuströmrichtung des aus dem Laufrad in den Diffusor strömenden Gases: tan(&bgr;1) = Vrad/Vtan. Vrad ist die radiale Geschwindigkeitskomponente und Vtan die tangentiale Geschwindigkeitskomponente.

Der Anstellwinkel &bgr; vergrößert sich stetig mit zunehmendem Radius bis zu einem Anstellwinkel &bgr;2 im Bereich der Hinterkante 28. Der Flügel 22 hat drei Bereiche, nämlich den inneren Zuströmbereich 22a in der Nähe der Spitze 27, einen Übergangsbereich 22b und einen Austrittsbereich 22c mit im wesentlichen radialer Abströmung. Der Anstellwinkel &bgr;2 beträgt im allgemeinen zwischen 80° und 90°, er kann vom Konstrukteur anhand der jeweiligen Gegebenheiten festgelegt werden. Auch Werte unterhalb von 80° sind möglich. Es besteht daher die Möglichkeit, den Abströmwinkel zu wählen bzw. entsprechend den Gegebenheiten einzustellen. Die markante Hinterkante 28 bewirkt, dass danach eine plötzliche Verzögerung erfolgen muss, die in der Literatur als Carnot-Stoß bekannt ist. Dieser ist mit Verlusten behaftet, die von der Geschwindigkeit vor der Querschnittserweiterung abhängen. Die Verluste sind hier allerdings gering, da die Geschwindigkeit bereits stark verringert ist.

5 zeigt die durch Pfeile angegebenen Strömungen zwischen den jeweiligen Diffusorflügeln.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch die Gestaltung der Flügel die Abströmrichtung frei zu wählen. Der Übergangsbereich 22b der Flügel ist so gewählt, dass die Strömungsumlenkung und -verzögerung mit geringen Verlusten erfolgt. Mit dieser Bauart können Strömungsabrisse praktisch im gesamten Arbeitsbereich des Verdichters vermieden werden.


Anspruch[de]
Radialverdichter mit einem Laufrad (10), das eine Nabe (12) und davon abstehende Schaufeln (13) aufweist, und einem das Laufrad (10) umgebenden Diffusor (20) mit Flügeln (22) zur Lenkung und Verlangsamung der das Laufrad (10) verlassenden Strömung zur Erzielung eines Druckaufbaus, dadurch gekennzeichnet, die Flügel (22) eine Skelettlinie (30) haben, deren Anstellwinkel (&bgr;) sich mit zunehmendem Abstand von der Laufradachse (11) vergrößert. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (&bgr;) der Skelettlinie (30) am radial äußeren Ende annähernd 90° beträgt. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (&bgr;2) am äußeren Flügelende mehr als 60° beträgt. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Flügel (22) sich von innen nach außen vergrößert und dass die Flügel am äußeren Ende eine breite Hinterkante (28) aufweisen. Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (22) an einer kegelstumpfförmigen Tragwand (21) angeordnet sind. Radialverdichter mit einem Laufrad (10), das eine Nabe (12) und davon abstehende Schaufeln (13) aufweist, und einem das Laufrad (10) umgebenden Diffusor (20) mit Flügeln (22) zur Lenkung und Verlangsamung der das Laufrad (10) verlassenden Strömung zur Erzielung eines Druckaufbaus, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (22) eine Skelettlinie (30) haben, deren Anstellwinkel (&bgr;) sich mit zunehmendem Abstand von der Laufradachse (11) vergrößert, und dass die Flügel (22) an einer kegelstumpfförmigen Tragwand (21) angeordnet sind. Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (10) eine Nabe (12) mit einem zylindrischen ersten Bereich (12a), einem Übergangsbereich (12b) nach Art einer Hyperbel und einen Endbereich (12c), der im wesentlichen senkrecht zur Nabenachse (11) verläuft, aufweist.






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