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Gegenläufiger Kreiselverdichter Es ist bekannt, daß man Kreiselverdichter
für radiale Strömungsrichtung in ähnlicher Weise wie die bekannten Ljungströmturbinen
mit gegenläufigen Schaufelsvstemen bauen kann. Größere Bedeutung haben derartige
Verdichter bisher jedoch nicht erlangt, obwohl sie den Vorzug einer großen Druckerzeugung
in einem vielstufigen Laufräderpaar besitzen. 'Maßgebend hierfür sind u. a. folgende
Gründe: Soweit solche gegenläufigen Verdichter bislierüberhaupt vorgeschlagen worden
sind, wurden sie mit einer Strömungsrichtung radial von innen nach außen angegeben.
Dies liegt zunächst nahe, da ja die Zentrifugalkraft diese Strömungsrichtung einleitet.
Diese Strömungsrichtung hat aber andererseits einen großen Nachteil, der sich daraus
ergibt, daß das Vollinien des verdichteten Gases in den äußeren Stufen entsprechend
der Verdichtung immer kleiner wird, während Durchmesser und Umfangsgeschwindigkeit
immer größer werden. Da für ähnliche Strömungsverhältnisse und beste Wirkungsgrade
in den einzelnen konzentrischen Schaufelreihen die Bedingung
ungefähr eingehalten werden muß, wobei c,. die radiale Geschwindigkeit des Gases,
zc die Umfangsgeschwindigkeit der betreffenden Laufreihe bedeutet und die Schaufelhölle
ist (L' = Gasvolumen in ms/sec, D = Durchmesser der Laufreihe), so
folgt, daß selbst bei gleichbleibendem Gasvolumen die Schaufelhöhe h sich umgekehrt
verhältnisgleich D2 ändert, so daß z. B. eine :äußere -Schaufelreihe, die den doppelten
Durchmesser
der Innenreihe besitzt, nur noch den vierten Teil von
deren Schaufelhöhe hat. Dies gilt jedoch nur unter der Annahme, daß das Gasvolumen
ständig gleichbleibt. Da jedoch in Wirklichkeit das Volumen durch die Verdichtung
während der Strdmung von innen nach außen verkleinert wird, so muß die Schaufelhöhe
der äußeren Reihen ebenfalls in dem gleichen Verhältnis verkleinert werden Bei einem
Verdichtungsverhältnis 2 : I zwischen innerer und äußerer Schaufelreihe müssen demgemäß
die Schaufelhöhen im Verhältnis 8 : i nach außen abnehmen. Man kann diese Verhältnisse
durch Abstufung der Schaufelwinkel und der Verhältniszahlen
von innen nach außen zwar etwas mildern, grundsätzlich bleibt aber immer. das Mißverhältnis
bestehen, daß bei einer Durchströmung des Laufräderpaares von innen nach außen das
durch die Verdichtung verkleinerte Volumen auf die größeren Abmessungen und Umfangsgeschwindigkeiten
der äußeren Schaufelreihen trifft.
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Erfindungsgemäß wird zur Behebung dieser Schwierigkeiten- bei solchen
an sich bekannten gegenläufigen Verdichtern die Strömung von außen . nach innen
geführt, 'so daß das verdichtete Gasvolumen auf die kleineren Abmessungen der inneren
Schaufelreihen trifft. Je nach dem erzeugten Druckverhältnis kann dann die Schaufellänge
von außen nach innen in mäßigem Umfange zunehmen, gleichbleiben oder sogar abnehmen.
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Es sind zwar auch schon nicht gegenläufige Verdichter mit radial durchströmten
konzentrischen Schaufelringen bekanntgeworden, bei denen die Schaufelsysteme abwechselnd
von innen nach außen und umgekehrt durchströmt werden. Bei nicht gegenläufigen Verdichtern
ist aber der Verdichtungsgrad in einem Schaufelring zu gering, um bei Strömung von
außen nach innen eine genügende Herabsetzung des Volumens und dadurch die Beibehaltung
angenähert gleichbleibender Schaufelhöhen zu ermöglichen. Erst die Vertinigung der
Gegenläufigkeit mit der Zentripetalströmung schafft diese Möglichkeit und macht
damit den gegenläufigen Radialverdichter lebensfähig.
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Zur praktischen Verwertung der Erfindung ist noch folgende weitere
Erkenntnis von Wichtigkeit: Ein Zentripetalgebläse mit gegenläufigem Laufräderpaar,.
dessen Schaufelreihen gemäß der Erfindung von außen nach innen durchströmt werden,
erzeugt bei- einer Förderung gleich Null einen von innen nach außen entsprechend
der Zentrifugalkraft zunehmenden Druck, der also im entgegengesetzten Sinne zur
Druckerzeugung im Normalbetrieb wirkt. Um nun ein solches Gebläse zum Arbeiten in
der gewünschten Förderrichtung zu bringen, bedarf es also eines Anstoßes, der die
Strömung von außen nach innen erst einmal einleitet. Einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung entsprechend können solche Gebläse als Aufladegebläse für Viertaktverbrennungsmotoren
verwendet werden, da diese Motoren in ihrem Ansaugehub die Strömung durch die vorgeschalteten
Gebläse erzwingen, auch wenn diese zunächst-noch nichts-fördern oder sogar drosselnd
wirken. Die Vorzüge der gegenläufigenRadialverdichter sind also in dieser Kombination
voll ausnutzbar.
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Abb. i.. zeigt .ein derartiges gegenläufiges Zentripetalgebläse mit
den Läufern i und 2 im Gehäuse 3, das einerseits von einer Abgasturbine 4, andererseits
über Getriebe 6 und 7 vom Verbrennungsmotor 5 angetrieben wird.
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Allgemein eignen sich solche gegenläufigen Verdichter mit Zentripetalströmung
als Vorschalt- oder Nachschaltgebläse zu anderen normalen Verdichtern, die als Verdränger-
oder als Strömungsmaschinen gebaut sein können. Das Verhältnis der Druckerzeugung
in dem gegenläufigen Zentripetalverdichter zu dem des vor- oder nachgeschalteten
normalen Verdichters ist dabei innerhalb gewisser Grenzen beliebig. Wesentlich ist
nur, daß der normale Verdichter bei jeder betriebsmäßig vorkommenden 'Drehzahl den
bei einer Förderung gleich Null im Zentripetalgebläse entstehenden Zentrifugaldruck
mit Sicherheit überwindet.
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Das Zentripetalgebläse gemäß der Erfindung kann insbesondere überall
dort verwendet werden, wo man sogenannte Axialverdichter anwendet, d. h. dort, wo
relativ große Gasmengen mit spezifisch hohen Drehzahlen auf mittlere Drücke verdichtet
werden sollen. Dies ist in erster Linie der Fall bei der Aufladung von Verbrennungsmotoren,
druckgefeuerten Kesseln, z. B. Veloxkesseln, Gasturbinen und ähnlichen Aufladeprozessen,
vor allem dann, wenn das gesamte Druckverhältnis so hoch ist, daß Zwischenkühlung
erforderlich ist.
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Abb. 2 zeigt z. B. eine Gasturbinengruppe, bei der die Verdichtung
zweistufig mit Zwischenkühlung und die Expansion zweistufig mit Zwischenerhitzung
durchgeführt wird. Man kann hierbei die Aufteilung der Drücke und Leistungen zweckentsprechend
wählen. In Abb. 2 wird z. B. der Niederdruckverdichter i, der beispielsweise als
nicht gegenläufiger Axialverdichter ausgeführt sein kann, zusammen mit dem einen
Läufer 3 des gegenläufigen Hochdruckverdichters 2 von der Niederdruckgasturbine
5 angetrieben, während der andere Läufer q. des Hochdruckverdichters 2 von der Hochdruckturbine
6 angetrieben wird, die außerdem die Nutzleistung an den Generator 7 abgibt. Die
Verbrennungsluft wird von dem Niederdruckverdichter i angesaugt, in diesem verdichtet
und anschließend in dem Zwischenkühler 8 gekühlt, um sodann in dem gegenläufigen
Hochdruckverdichter 2, dessen konzentrische Schaufelreihen von außen nach innen
durchströmt werden, auf den Enddruck verdichtet zu werden. Die aus dem Hochdruckverdichter
austretende Luft wird der Brennkammer g zugeführt, in der sie mit dem gleichzeitig
zugeführten Brennstoff verbrannt wird. Die in der Brennkammer anfallenden Verbrennungsgase
werden der Hochdruckgasturbine 6 zugeführt und in dieser auf einen bestimmten Gegendruck
entspannt. In dem Zwischenerhitzer io, der z. B. eine Hilfsbrennkammer sein kann,
wird den aus der Hochdruckgasturbine austretenden Gasen neue Energie zugeführt,
worauf die Gase in der Niederdruckgasturbine vollständig entspannt werden,
Auch
in diesem Beispiel erzwingt der nicht gegenläufige N iederdruckverdichter i die
Strömung durch den gegenläufigen Hochdruckverdichter z von außen nach innen. Diese
Anordnung bringt noch den Vorteil, daß der Generator 7 mit der Hochdruckturbine
6 und dem Läufer q. des Hochdruckverdichters entsprechend der Netzfrequenz laufen
kann, während die Niederdruckturbine 5 mit Niederdruckverdichter i und dem zugehörigen
Läufer des Hochdruckverdichters je nach Last mit veränderlicher Drehzahl laufen
kann. Hieraus ergeben sich besonders günstige Teillastwirkungsgrade.