CH618776A5

CH618776A5 -

Info

Publication number: CH618776A5
Application number: CH1572775A
Authority: CH
Inventors: Merle Lavern Kaesser; Homer Jesse Wood
Original assignee: Deere & Co
Priority date: 1974-12-04
Filing date: 1975-12-03
Publication date: 1980-08-15
Also published as: ES443181A1; JPS5175206A; JPS5936119B2; US4012166A; SE7513600L; IT1052471B; YU304375A; GB1532965A; SU1194291A3; CA1053202A; DE2552466A1; DE2552466B2; FR2293610B1; AR213279A1; YU40270B; FR2293610A1; DE2552466C3; AU8317275A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen beschaufelten Diffusor in einem Überschall-Zentrifugalkompressor, der das zuge- 45 ordnete koaxiale Laufrad mit geringem Spiel umgibt und Kanäle aufweist, die sich von innen nach aussen hin in ihrem Durchmesser erweitern, wobei die die Kanäle begrenzenden Schaufeln gekrümmt sind und die Ränder der Einlassöffnungen der Kanäle Abschnitte aufweisen, die jeweils die Form SO eines Ellipsenbogens haben.

Bei der Diffusorschaufel für Kompressoren (Eckert/

Schnell «Axial- und Radialkompressoren», Springer Verlag 1961, Seite 400 unten und 401 oben), von der die Erfindung ausgeht, sind die Diffusoren parallelwandig, wobei allerdings 55 der Hinweis gegeben ist, dass der Schaufelanfang als logarithmische Spirale ausgebildet sein kann. Diese Ausführung begünstigt nicht das Entstehen von Druckwellen, was bei der Unformung der Geschwindigkeit auf Unterschall generell bekannt ist (US-PS 2 819 837). 60

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe wird in einem optimalen Druckgewinn unter Beibehaltung des Drehimpulses gesehen.

Dabei soll der Wirkungsgrad der Unterschalldiffusion stromabwärts erhöht werden, indem eine genügende Energie- 65 Umwandlung der Stosswellen erzeugt und die Strömungsgeschwindigkeit beträchtlich unter Mach 1 gebracht werden.

Diese Aufgabe ist gemäss der Erfindung dadurch gelöst worden, dass die Mittelachse jedes Kanals gekrümmt ist, wobei der Durchmesser eines ersten, dem inneren Umfang des Diffusors nahen Teils des Kanals in einem geringeren Masse ansteigt als der Durchmesser eines dem äusseren Umfang des Diffusors nahen Teils. Der maximale Durchmesser eines schaufelfreien Bereichs zwischen dem Aussendurch-messer des Laufrades und den Einlassenden der Kanäle kann vorteilhaft zwischen dem l,04fachen des Innendurchmessers des Diffusors und dem l,06fachen des Aussendurchmessers des Laufrades liegen.

Auf diese Weise kann ein sich sanft im Durchmesser erweiternder Schaufelkanal erzielt werden, der eine verbesserte Beibehaltung der Drehimpulse unter möglichst geringen Strömungsverlusten gewährleisten kann.

Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche, teilweise aufgeschnittene Ansicht eines kreisringförmigen Verdichtungsstoss-Diffusors für einen Überschall-Zentrifugalverdichter;

Fig. 2 eine teilweise Aufsicht auf einen Abschnitt eines der zwei aneinandergelegten Teile des Diffusors, und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch beide Hälften des in der Fig. 1 aufgezeigten Diffusors entlang der Linie 3—3 der Fig. 2.

Gemäss der Fig. 1 weist ein Diffusor 10 an einen Über-schall-Zentrifugalverdichter einen kreisringförmigen Diffusor-Körper auf, der von ersten und zweiten, aneinanderliegenden Hälften 14,16 gebildet ist, welche entlang einer mittigen,

sich in radialer Richtung erstreckenden Ebene 18 aneinander-liegen. Innerhalb des Diffusorkörpers 12 sind zwei axial verlaufende Passlöcher 20, 22 angeordnet, in welchen Einstell-stifte in einem Klemmsitz angeordnet sind, so dass eine einwandfreie Ausrichtung zwischen den ersten und zweiten Hälften 14, 16 gebildet ist. Eine Mehrzahl von in axialer Richtung verlaufenden Löchern 24 für Schraubenbolzen sind um den Diffusorkörper 12 neben dem Aussenumfang 26 angeordnet, und sind entlang des Umfanges derart angeordnet, dass sie jeweils zwischen benachbarten Diffusor-Kanälen 28 hindurchlaufen. Stifte in den Löchern 24 für Schraubenbolzen dienen dazu, die erste und zweite Hälfte 14 und 16 gegeneinander ausgerichtet zu halten und zu bewirken, dass der Diffusor-Körper 12 mit einem Gehäuse oder einer anderen Vorrichtung zusammengehalten wird, wobei das Leitrad 10 in einer festen konzentrischen Relation zum Umfang des Laufrades des Kompressors angeordnet ist.

In Fig. 2 ist angedeutet, dass in dem Leitrad 10 ein Laufrad rotiert, dessen Aussenumfang mit 32 bezeichnet ist. Das Laufrad läuft um eine Achse 30 um, die senkrecht zu der Ebene von Fig. 2 angeordnet ist.

Obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, bilden im aufgezeigten Ausführungsbeispiel der Verdichterrotor und Diffusor 10 die Verdichterstufe einer einwelligen Gasturbinenanlage für die Anwendung in industriellen und landwirtschaftlichen Fahrzeugen. Aus Platzgründen ist es äusserst wichtig, dass die insgesamten Abmessungen der Anlage so klein als möglich gehalten werden. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel weist der Aussenumfangskreis 32 einen Durchmesser von 152,4 mm (6 inches) auf, ein Innenumfang 34 des Diffusorkörpers 12 weist einen Durchmesser von 159,004 mm (6,026 inches) auf, und der Aussenumfang 26 des Diffusorkörpers 12 weist einen Durchmesser von 304,8 nom (12 inches) auf. Mit Vorteil wird der Durchmesser des Innenumfanges 34 so klein als möglich gehalten, um ein genügendes Spiel zwischen dem Aussenumfang des Laufrades 32 und dem Innenumfang 34 des Leitrades zu bilden, so dass der Verdichterrotor nicht beschädigt wird. Währenddem be-

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reits 16 Kanäle genügend sein können, weist der Diffusor mit Vorteil wenigstens 20 Diffusorkanäle 28 auf und im aufgezeigten Ausführungsbeispiel weist er 24 solche Kanäle auf.

Wie es insbesondere beim Diffusorkanal 40 dargestellt ist, weist jeder der Diffusorkanäle 28 eine kreisförmige Quer- 5 schnittsform auf, in Ebenen gesehen, welche senkrecht zur Längsmittelachse 42 verlaufen, die in der Ebene 18 liegt. Mit Vorteil folgt die Längsmittelachse 42 einer Linie in der Form einer logarithmischen Spirale, welches eine Beibehaltung des Dralles der Gase zulässt, welche vom Verdichter- 10 rotor mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente abgegeben werden. Jedoch kann aus Gründen vereinfachter Herstellung die logarithmische Spirale des Verlaufes der Längsmittellinie 42 durch einen Kreisbogen angenähert werden, der einen Mittelpunkt 50 und ein Radius R aufweist, der 15 z. B. eine Länge von 381,0 mm (15 inches) aufweist.

Beim Eintrittsende 60 schneidet der Kanal 40 jeweils benachbarte Diffusorkanäle 62, 64 bei seinen gegenüberliegenden Seiten. Wenn der Divergenzwinkel der Diffusorkanäle beim Eintrittsende 60 Heim ist, liegt der geometrische Ort der 20 Mittellinien benachbarter Kanäle ungefähr in einer Ebene, die parallel zur Drehachse 30 verläuft, welcher geometrische Ort der Schnitte einen Ellipsenbogenabschnitt beschreibt. Das äussere Ende der Hauptachse des Ellipsenbogens für jeden geometrischen Ort des Schnittes liegt auf einer Kreis- 25 linie 66, welche den grössten Umfang eines diffusorfreien Ausgleichsraumes 68 zwischen dem Eintritt 60 zu den Diffusorkanälen und der Aussenumfangskreislinie des Laufrades 32 des Verdichterrotors begrenzt. Bei dieser Ausführung wird angenommen, dass der Eintritt der Diffusor- 30 kanäle 28, wie es mittels des Kanals 40 gezeigt ist, in einer Ebene 70 liegt, welche senkrecht zur Längsmittellinie 42 verläuft, und die Kreislinie 66 in der Ebene 18 bei der, radial gesehen, inneren Seite 72 des Kanals 40 schneidet. Der Durchmesser der Kanäle 28 bei ihren Eintrittsenden ist mit 35 Vorteil in Berücksichtigung der Anzahl der Diffusorkanäle 28 und den Umfang des Laufrades 32 genügend Mein gehalten, dass der halb schaufellose Ausgleichsraum 68 sehr klein ist. Dieses versichert, dass die eine Überschallgeschwindigkeit aufweisende Gasströmung innerhalb des diffu- 40 sorfreien Ausgleichsraumes 68 nicht merkbar verringert wird, und dass sie sich den Eintritten der Diffusorkanäle 28 mit einer so hoch als möglichen Geschwindigkeit annähert. Zum einwandfreien Arbeiten ist es jedoch erforderlich, dass ein diffusorfreier Bereich 68 vorhanden ist, um scharfe Kanten 45 zwischen benachbarten Diffusorkanälen für das Gas, das das Kompressorlaufrad verlässt, zu erreichen. Beste Arbeitsergebnisse werden erreicht, wenn Druckwellen im Bereich der Diffusorkanäle auftreten. Im vorliegenden, vorgezogenen Ausführungsbeispiel, weist der Durchmesser der Kreislinie 50 66, welche den grössten Umfang des halb schaufellosen Ausgleichsraumes 68 begrenzt, ein Ausmass auf, das ungefähr 1,047 mal grösser ist als der Durchmesser der Kreislinie 32, welche den Aussenumfang des Verdichterrotors begrenzt.

Dieses entspricht einem Durchmesser, der ungefähr 1,042 mal 5S grösser ist als der Innenumfang 34 des Diffusorkörpers 12. In jedem Fall ist der Durchmesser der Kreislinie 66 mit Vorteil kleiner als 1,06 des Durchmessers des Aussenumfanges 32 des Verdichterrotors. Dieses entspricht ungefähr l,055mal dem Durchmesser des Innenumfanges 34. 60

Da der Abstand auf der Längsachse 42 von dem Einlassende 70 aus radial nach aussen von der Drehachse aus ansteigt, nimmt die Querschnittsfläche der Diffusorkanäle immer mehr zu. Es ist wohl bekannt, dass, wenn der Divergenzwinkel des Kanales 40 zu gross ist, und das Ausmass 65 seiner Querschnittsfläche in bezug auf die Bogenlänge L entlang der Längsausdehnung der Längsmittellinie 42 zu schnell anwächst, in der Grenzschicht neben den Kanalwänden eine

Trennung der Strömung auftritt und beträchtliche Verluste von kinetischer Energie des Gases auftritt, welche Energie in Wärme, anstatt in statischen Druck umgewandelt wird. Anderseits, wenn der Öffnungswinkel zu klein ist, und die Querschnittsfläche in bezug auf die Bogenlänge L der Längsmittellinie 42 zu langsam anwächst, wird der Kanal 40 unnötig lang und die Reibungsverluste zwischen den Wänden des Kanals 40 und den Gasen ist grösser als notwendig.

Im vorliegenden Beispiel wird die Eigenschaft der Gase ausgenützt, welches erlaubt, dass der Öffnungswinkel ver-grössert werden kann, ohne dass eine Trennung der Strömung auftritt, währenddem die Geschwindigkeit des Gases vermindert wird, indem der Durchmesser des Kanales senkrecht zur Längsmittellinie 42 mit zunehmendem Abstand von der Einlassebene 70 immer mehr zunimmt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser beim Eintritt 7,1628 mm (0,282 inches) währenddem der Durchmesser entlang der Auslassebene 74 16,01216 mm (0,6304 inches) beträgt. Die Auslassebene 74 schliesst mit dem O-Be-zugsradius einen Winkel a von ungefähr 17,0703° ein, währenddem die Eintrittsebene 70 mit einem Winkel a = 3,1320° in bezug auf den Bezugsradius 58 angeordnet ist. Die Bogenlänge der Längsmittellinie 42 zwischen der Auslassebene 74 und der Eintrittsebene 70 beträgt daher

(17,0703° —3,1320°) X 57 296°/^ ^ 91,6846 mm

(17,0703° — 3,1320°) x||j^5__== 3.649 inches

Die Querschnittsfläche des Kanals 47 bei der Auslassebene 74 ist ungefähr 5mal grösser als die Querschnittsfläche des Kanals 40 bei der Eintrittsebene 70. Dieses entspricht dem grösstmöglichsten Flächenverhältnis, innerhalb welchem eine wirksame Druckrückgewinnungs-Diffusion stattfinden kann. Beginnend mit der Eintrittsebene 70 ist die zweite Ableitung des Kanaldurchmessers in bezug auf die Bogenlänge L

der Längsmittelachse 42, ———mit Vorteil eine Konstante,

CiL2

Kl = 0,002054030 mm pro mm2 (0,0526 inches pro inch2). Wenn angenommen wird, dass der Divergenzwinkel bei der Eintrittsebene 70 Null ist, ist die Ableitung des Kanaldurchmessers D in bezug auf die Bogenlänge L,-^-= KiL und der dL

Durchmesser D = V2 K1L2 + 0,28. Radial innerhalb der Eintrittsebene 70 sind die Kanäle zylinderförmig, also nicht auseinanderlaufend, ausgebildet.

Es hat sich herausgestellt, dass zur Vereinfachung der Herstellung die bevorzugte Divergenz der Kanäle mit Vorteil angenähert werden kann, indem der Diffusionskanal 40 in drei einzelnen, konischen Abschnitten gefräst wird, und dass die scharfen Übergänge, welche bei der Schnittlinie der Wände benachbarter konischen: Segmente auftreten, geglättet werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel tritt ein erster konischer Abschnitt 76 an allen Stellen entlang des Kanals 40 auf, welche, in radialer Richtung gesehen, innerhalb der Eintrittsebene 70 liegen, welche in der radialen Stellung a = 3,132° liegt. Es hat sich für eine leichte Herstellung in der Praxis als zweckmässig erwiesen, dass die bevorzugte Dif-fusor-Kanal-Divergenz am besten dadurch erreicht werden kann, indem jeder Diffusorkanal in drei einzelnen Teilen gefräst wird, die dann an den scharfen Übergängen, die bei den Schnittstellen der aneinandergrenzenden Teile entstehen, abgeschliffen werden. Beim Ausführungsbeispiel sind die alle einwärts des Einlassendes 70 liegenden Teile mit 76 bezeichnet, wobei zwei Teile konisch sind und der erste Teil insoweit etwas anders ist, als er einen Zylinder ohne Divergenz bil

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det, der einen konstanten Durchmesser von 7,1628 mm (0,282 inch) hat.

Der dritte konische Abschnitt 82 weist einen Divergenzwinkel von 6° auf.

Während dem Betrieb treten Gase aus dem Verdichter- 5 rotor mit Überschallgeschwindigkeit aus, welche Geschwindigkeit nur ein wenig vermindert wird, währenddem die Gase durch den halb schaufellosen Ausgleichsraum 68 strömen.

Eine erste Verdichtungsstosswelle tritt sehr nahe bei der Eintrittsebene 70, entweder innerhalb des halbschaufellosen Aus- 10 gleichsraumes 68 radial innerhalb der Ebene 70 gesehen,

oder innerhalb des Kanales 40 auf der radial gesehen auswärtsliegenden Seite der Ebene 70 auf. Die genaue Stelle der Stosswelle ändert sich mit den Betriebszuständen des Verdichters und insbesondere mit dem statischen Druck am Aus- 15 lass. Wenn der statische Druck am Auslass vermindert wird, neigt die Stosswelle dazu, radial nach aussen zum Eintritt der Diffusorkanäle 28 zu wandern. Wenn der statische Druck zu niedrig wird, wird eine zweite Stosswelle gebildet und der Wirkungsgrad wird beträchtlich vermindert. Die zweite Stoss- 20 welle bewegt sich, in radialer Richtung gesehen, durch den zweiten konischen Abschnitt 78 nach aussen, währenddem der statische Druck am Auslass noch mehr absinkt. Unter den vorgezogenen Betriebszuständen wird die zweite Stosswelle verhindert und die erste Stosswelle tritt sehr nahe der 25 Eintrittsebene 70 auf. Die Gase auf der Eintrittsseite der Ebene der Stosswelle weisen mit Vorteil eine Geschwindigkeit mit einer MACH-Zahl von ungefähr 1,5 auf, und bei der ins-besonderen, hierin beschriebenen Ausführung des Verdichterrotors und Diffusors 10 wurde gefunden, dass sie eine MACH-Zahl von ungefähr 1,35 aufweisen. Wenn die MACH- 3

Zahl an der Eintrittsseite grösser als ungefähr 1,7 wird, erfährt der Wirkungsgrad der Stosswelle eine merkbare Verminderung.

Unter den vorgezogenen Zuständen tritt eine Unterschalldiffusion zwischen dem zweiten konischen Abschnitt 78 und dem dritten konischen Abschnitt 82 auf. Weil die Gasgeschwindigkeit an der Auslassseite der ersten Stosswelle beträchtlich unterhalb MACH 1 liegt, sind die inneren Reibungsverluste der Grenzschicht, die bei der Unterschallströmungsgeschwindigkeit im Kanal bei Geschwindigkeiten nach MACH 1 auftreten, verhindert, und die nicht rückgewinn-bare kinetische Energie der Gase nach dem grösstmöglichen Druckrückgewinnungs-Diffusions-Flächenverhältnis von 5:1 merkbar vermindert. Im Falle, dass eine zweite Stosswelle innerhalb des zweiten konischen Abschnittes 78 auftritt,

tritt eine Unterschalldiffusion stromabwärts von dieser Stelle auf. Die notwendige Länge der Diffusorkanäle 28 ist durch die beträchtliche Verminderung der Geschwindigkeit sehr vermindert, und der Druckanstieg, welcher entlang der äusserst kurzen Stosswelle auftritt, und der Durchmesser des Aussen-umfanges 26 des kreisringförmigen Diffusorkörpers 12 ist verringert durch die Verwendung eines kleinen Winkels und der kreisbogenförmigen Ausbildung der Diffusorkanäle. Diese Bedingungen zusammen erlauben, dass ein Diffusorkanal mit einer wirksamen Bogenlänge entlang der Längsmittelachse von 91,6846 mm (3,649 inches) innerhalb des radialen Abstandes 74,0372 mm (2,718 inches), entlang der Mittellinie des Kanales in bezug mit der Drehachse 30 angeordnet werden kann. Daher kann der Diffusorkörper 12 kleiner und gedrängter gebaut sein, um die Abmessungen einer Gasturbinenanlage, in welcher er angeordnet ist, zu vermindern.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Beschaufeiter Diffusor in einem Überschall-Zentrifugalkompressor, der das zugeordnete koaxiale-Laufrad mit geringem Spiel umgibt und Kanäle aufweist, die sich von innen nach aussen hin in ihrem Durchmesser erweitern, wobei die s die Kanäle begrenzenden Schaufeln gekrümmt sind und die Ränder der Einlassöffnungen der Kanäle Abschnitte aufweisen, die jeweils die Form eines Ellipsenbogens haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (42) jedes Kanals (28) gekrümmt ist, wobei der Durchmesser eines ersten, dem M inneren Umfang des Diffusors nahen Teils (78) des Kanals in einem geringeren Masse ansteigt als der Durchmesser eines dem äusseren Umfang des Diffusors nahen Teils (82).
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass jeder Mittelachse (42) eine Tangente (56) zugeordnet ist, 15 die eine Tangente (54) am Innenumfang (34) des Diffusors (10) in einem Punkt (52) in einem Winkel von 15° schneidet.
3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser jedes Kanals gemäss der Beziehung D— Va Ki L2 + K2 zunehmen, wobei D der Kanal- 20 durchmesser des auf einem entlang der Mittelachse (42) vom Einlassende aus gemessenen Abstand L gelegenen Kanalquerschnitts, Ki eine Konstante und K2 der Diffusordurch-messer am Einlassende ist.

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4. Diffusor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ableitung ( )

des Durchmessers D jedes Kanals nach dem entlang der Mittelachse (42) vom Einlassende aus gemessenen Abstand L zwischen dem Einlassende (70) und dem Punkt auf der 30

Mittelachse (42), in dem die Querschnittfläche das Fünffache der Querschnittfläche am Einlassende beträgt, im wesentlichen konstant ist.
5. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass der maximale Durchmesser eines schaufelfreien Bereichs 35 zwischen demAussendurchmesser (32) des Laufrades und den Einlassenden (70) der Kanäle zwischen dem l,042fachen des Innendurchmessers (34) des Diffusors (10) und dem l,06fachen des Aussendurchmessers des Laufrades liegt.

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