Diffusor. Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein am Austritt eines Zentrifugalkompressors an geordneter, flügelloser Diffusor.
Es ist bei Zentrifugalkompressoren üb lich, flügellose Diffusoren anzubringen, durch welche das Arbeitsmittel nach Verlassen der Laufradenden strömt. Das Arbeitsmittel durchströmt solche Diffusoren üblicherweise in Form eines freien Wirbelstromes, also mit konstantem Drall. Änderungen entstehen in zwei Gesclnvindigkeitskomponenten, nämlich in der Umfangsgeschwindigkeitskomponente und in der Meridian-Geschwindigkeitskompo- nente der Strömung.
Mit zunehmendem Ab stand des Arbeitsmittels von der Laufradachse nimmt, nach dem Prinzip des konstanten Dralles, die Umfangsgeschwindigkeitskompo- nente (6' _) ab. Bei den bekannten Diffusoren ist ein mit parallelen Wänden versehener Raum radial über den Laufradenden angeord net.
In diesem Fall ist die Meridian-Gesehssin- digkeitskomponente (V.) gleich der radialen (Tesehw indigkeit und nimmt mit dem Fort- schreiten des Arbeitsmittelstromes ab. infolge der zunehmend grösseren Fläche, welche dem Strom zugeordnet. wird und infolge der zu nehmenden Dichte des Arbeitsmittels. Da durch wird die resultierende Geschwindigkeit des Arbeitsmittels vermindert und die Ge- seliwindigkeitsenergie in Druckenergie umge wandelt.
Bei der Konstruktion einer Gasturbinen anlage, für welche die erfindungsgemässen Diffusoren besonders geeignet sind, wird be kanntlich für jeden Teil ein maximaler Wir kungsgrad erstrebt. Bis heute wurde allge mein angenommen, dass zu diesem Zweck die Diffusordurchgänge, zumindest im zuerst vom Arbeitsmittel durchflossenen Teil, parallele Wände aufweisen sollten. Ein divergenter Teil konnte anschliessend angeordnet sein.
Es wird nun vorgeschlagen, den Wirkungsgrad durch die Verwendung von flügellosen Diffusor en mit. äquivalenten Konuswinkeln, welche klei ner sind als bei DiffiLsoren bisher verwen deter Bauart, zu erhöhen.
Der äquivalente Konuswinkel ist der Konuswinkel eines geraden Kegelstumpfes, dessen axiale Länge gleich der: Höhe eines Abschnittes des zu vergleichenden Diffusors ist,
wobeidiekleinereEndkreisflä.chedesKegel- stumpfes gleich der Einlassquerschnittsfläche und die grössere Endkreisfläehe des Kegel stumpfes gleich der Auslassquerschnittsfläche des Diffusorabschnittes ist. Bei einem parallele Wände aufweisenden Diffusor mit einer ra dialen Länge von 38,1 mm und einer Breite von 50,8 mm beim Austritt eines Zentrifugal- laufrades von<B>507,
8</B> mm Durchmesser beträgt der mittlere äquivalente Konuswinkel etwa 33 über die ganze radiale Länge des Diffusors.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist ein flügelloser, am Austritt eines Zentrifugal- kompressors angeordneter Diffusor dadureh gekennzeichnet, dass er Wände aufweist, die in jedem ihrer 'Teillängenstücke einen äqui- v alenten Konuswinkel von höchstens 1) auf weisen, derart, dass die Umfangsgeschwindig- keitskomponente,
die das Arbeitsmittel beim Eintritt in den Diffusor aufweist, beim Durchströmen durch denselben vermindert wird, ohne dass die Meridian-Geschwindig- keitskomponente, kleiner wird.
Die genannten Wände können dabei vom Eintritt zum Austritt des Diffusors leicht gekrümmt sein.
Der äquivalente Konuswinkel kann über die ganze Länge des gekrümmte Wände auf weisenden Diffusors konstant sein; die ge nannten Wände des Diffusors können auch Kegelmantelfläehen bilden.
Der äquivalente Konuswinkel kann min destens über einen Teil der Diffusorlänge in Meridian-Strömungsrichtung abnehmen.
Es können Ausführungsformen gewählt werden, in welchen die 1VZeridian-Gesehwindig- keitskomponente beim Durchfluss durch den Diffusor erhöht wird.
In den beiliegenden Zeichnungen sind einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
Fig.l ist ein Schnitt durch einen Teil einer bekannten Ausführung eines Zentrifu- gallaufrades und dem dazugehörigen, ani. Laufradende angeordneten, schaufellosen Dif- fusor mit parallelen Wänden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Diffusorwände eine leichte Krüm mung aufweisen.
Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform eines Diffusors, in welchem die Wände des Diffusors Kegelmantelflächen bilden.
Die Fig.4, 5 und 6 zeigen Geschwindig keitsdreiecke beim Eintritt und Austritt des Arbeitsmittels in bzw. aus bekannten und er findungsgemässen Diffusoren.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Zentrifugallaufrades mit Diffusorranm, in welchem der Weg des Arbeitsmittelstrome, bei einem bekannten Diffusor und bei einem solchen gemäss der Erfindung dargestellt ist.
Die Fig. 8 und 9 sind Vergleichsdiagramme zwischen bekannten und erfindungsgemässen Diffusoren. Die Fig. 10 und 11 sind Schemas mit den charakteristischen. Grössen, welche bei der Be rechnung eines erfindungsgemässen Diffusors verwendet werden.
In Fig. 1 bezeichnet. 12 ein Zentrifugai- laufrad mit Schaufeln 13, welches von einem stationären Gehäuse 14 umgeben ist.. Das Ar beitsmittel strömt vorerst. in axialer und zu letzt in radialer Richtung durch das Laufrad. Das das Schaufelradende verlassende Ar beitsmittel strömt durch einen flügellosen, parallele Wände aufweisenden Diffusor 1'5, an den ein Raum mit Flügeln 16 anschliesst.
@@Tenn, wie weiter vorn schon ausgeführt wurde, der mittlere äquivalente Konuswinkel eines solchen Diffusors etwa 33 beträgt, lässt sich mit solchen Konuswinkeln eine Ablö sung des Arbeitsmittelflusses an den Wänden feststellen, welche den Wirkungsgrad der An lage ungünstig beeinflusst. Diese Ablösung des Arbeitsmittelstromes von den Wänden ist auch oft der Ursprung später auftreten der Betriebsunregelmässigkeiten des Kom pressors. Ein äquivalenter Konuswinkel von 12 oder weniger verhindert das Aufkommen nennenswerter Ablösungserscheinungen.
Da die Verluste durch die genannten Ablösungen der Strömung wesentlich sind, kann deren Vermeidung oder Verminderung bedeutend zur Erhöhung des gesamten ZVirkungsgrades des Kompressors beitragen. Weitere grosse Verluste entstehen durch die Reibung, welche noch erhöht wird, wenn das Arbeitsmittel beim Verlassen des Laufradendes eine Um fangskomponente aufweist.
Der Diffusor, der beim Beispiel nach Fig.2 dem Laufrad nachgeordnet ist, weist einen äquivalenten Konuswinkel auf, der für ein beliebiges, kleines Teilstück des Durch ganges 12 nicht überschreitet. In der ge zeigten Ausführungsform ist dieser Konus winkel über die ganze Länge des Diffusors konstant gehalten, so dass dessen Wände 17 leicht gekrümmt sind.
Der Diffusor kann auch einen kleineren äquivalenten Konus winkel als 12 aufweisen, oder er kann einen über seine ganze Länge sieh ändernden äqui valenten Konuswinkelhaben, damit dieWände als Kegelmantelfläehen ausgeführt werden können. Ein solcher Diffusor ist in Fig. 3 mit 18 bezeichnet.
Fig. -1 zeigt das Geschwindigkeitsdreieck am Austritt aus dem Zentrifugallaufrad. Dieses Dreieck ist selbstverständlich nicht vom nachfolgenden Diffusor beeinflusst. V",l bezeichnet darin die Umfangsgeschwindig- keitskomponente; V",1 ist die Meridian=Ge- sehwindigkeit.skomponente, und V1 ist die resultierende Geschwindigkeit.
Fig.5 zeigt das Geschwindigkeitsdreieck beim Austritt aus einem bekannten, flügel losen Diffusor mit parallelen Wänden. Die Umfangsgeschwindigkeitskomponente V,, ist um ungefähr einen Drittel kleiner als beim Eintritt. in den Diffusor. Die Meridia.n-Ge- sehwindigkeitskomponente V", ist ebenfalls etwas kleiner geworden, und entsprechend ist auch die resultierende Geschwindigkeit V2 kleiner geworden.
Aus Fig.6 ist klar ersichtlich, dass mit einem erfindungsgemässen Diffusor die Um fangskomponente in gleichem Masse ver kleinert wird wie oben. Die V",-Komponente ist bedeutend grösser, aber die resultierende Geschwindigkeit V2 ist nicht viel grösser, als sie mit einem bekannten Diffusor erhalten wird.
Im in Fig. 7 schematisch dargestellten Laufrad zeigt die ausgezogene Linie den Weg des Arbeitsmittels vom Zeitpunkt seines Ver- lassens des Laufrades bis zum Verlassen eines bekannten Diffusors. Die gestrichelte Linie zeigt, dass der entsprechende Weg bei einem erfindungsgemässen Diffusor kürzer ist. Da durch ist aber im letzteren Fall auch die Rei bung zwischen Arbeitsmittel und den Diffu- sorwänden kleiner.
Infolge der etwas grösseren Geschwindig keit, welche im erfindungsgemässen Diffusor im Vergleich zu Diffusoren mit. parallelen Wänden aufrechterhalten wird, nimmt der statische Druck in kleinerem Masse zu. Dies ist in Fig.8 verdeutlicht, in welcher die ausgezogene Linie die Zunahme des statischen Druckes beim Durchfluss durch einen bekann ten Diffusor darstellt, während die gestri- ehelte Linie denselben beim Durchfluss durch einen erfindungsgemässen Diffusor zeigt.
Aus Fig. 9 ist die Abweichung der Strö mungsrichtung in bezug auf die Tangente an das Laufrad bei Zunahme des Radius im Diffusor ersichtlich. Die gestrichelten und ausgezogenen Linien haben die gleiche Bedeu tung wie in den Fig. 7 und B.
Um einen konstanten, äquivalenten Konua- winkel über die ganze Länge des Diffusors zu erhalten, ist es notwendig, die Verände rungen der Quersebnittsflächen kleiner, in Längsrichtung des Diffusors entnommener Elemente an deren Anfang und Ende zu be trachten. Die Wände eines Diffusors, welcher einen konstanten, äquivalenten Konuswinkel aufweist, sind gekrümmt, wobei die mathe matische Bestimmung der Wandkrümmung weiter unten erläutert wird.
Ein Grossteil der Vorteile solcher Diffusoren kann jedoch auch beibehalten werden, indem man den äquiva lenten Konuswinkel über die ganze Diffusor- länge ändern lässt, ihn aber überall weniger als 12 hält. In diesem Fall lassen sich die Diffusorwände als Kegelmantelflächen ausbil den. In der Praxis wird dieser letztgenannten Ausführungsform infolge ihrer leiehterenHer- stellung der Vorzug gegeben werden.
Eine Kompromisslösung besteht darin, dass über eine bestimmte Länge des Diffusors dem äqui valenten Konuswinkel ein konstanter Wert ge geben wird, und dass man diesen für das an liegende Diffusorenstüek ändern lässt. In ähn licher Weise kann in Diffusoren mit ge krümmten Wänden der äquivalente Konus winkel für verschiedene 'Stellen des Diffusors variieren.
Mit Hilfe der Fig. 10 und 11 wird im folgenden die mathematische Grundlage für die Konstruktion eines Diffusors mit einem durchgehend konstanten Konuswinkel behan delt. In der Fig.10 ist ein Diffusor darge stellt, dessen Radius an der Eintrittsöffnung Ro und dessen Weite an dieser !Stelle Wo ist.
Ein kleines, in der Figur vergrössert darge stelltes Element des Diffusors weist am An fang den Radius P und die @Veite-W, am Ende den Radius<I>R +</I> dR und die Weite<I>W +</I> dW auf. Das Diffusorelement hat die Form eines Ringes mit gekrümmten Seitenflächen. Die Querschnittsfläche des Diffusorelementes beim Radius R ist < 1i = 2 n - R - W.
Entsprechend ist die Querschnittsfläche des Diffusorelemen- tes beim Radius<I>R +</I> dR A2 <I>= 2</I> n <I>(R</I> -f- dR) (W+ dW) Wenn man den äquivalenten Konuswinkel für das Längenelement dR mit O und den Radius der kleineren Kreisfläche des Vergleichskegel stumpfes mit r1 bezeichnet,
so ist
EMI0004.0019
Entsprechend ergibt sich für den Radius r## der grösseren Kreisfläche des Vergleichskegel stumpfes
EMI0004.0021
Aus der oben gegebenen Definition des äqui valenten Konuswinkels und der Fig.11 folgt dann
EMI0004.0025
Da der äquivalente Konuswinkel konstant gehalten werden soll, wird für
EMI0004.0028
EMI0004.0029
Dann <SEP> wird:
<tb> z
<tb> <I>KdR</I> <SEP> -E- <SEP> (2 <SEP> R <SEP> W) <SEP> 2 <SEP> = <SEP> 2 <SEP> [(R <SEP> <I>+ <SEP> dR) <SEP> (W+ <SEP> d <SEP> W)]- <SEP> 2</I>
<tb> oder:
<tb> <I>[KdR <SEP> -E- <SEP> (2 <SEP> RW)</I> <SEP> 2]2 <SEP> = <SEP> <I>2 <SEP> (R <SEP> + <SEP> dR) <SEP> (W+ <SEP> dW)</I>
<tb> oder:
<tb> i
<tb> <I>K2dR2</I> <SEP> + <SEP> 2 <SEP> <I>KdR <SEP> (2 <SEP> RW)</I> <SEP> 2 <SEP> + <SEP> <I>2 <SEP> RW</I>
<tb> <I>= <SEP> 2 <SEP> RW+ <SEP> 2 <SEP> RdW+ <SEP> 2 <SEP> WdR <SEP> + <SEP> 2 <SEP> dBdW</I> Die quadratischen Glieder können vernach lässigt werden.
Es folgt _i KdR <I>(2 R W) 2 = Rd</I> W+WdR <I>I</I> RW <I>= x</I> angenommen und differenziert ergibt RdW <I>+</I> WdR <I>=</I> dx in Gleichung I eingesetzt., ergibt: i KdR <I>(2 x)</I> s <I>=</I> dx oder:
EMI0004.0041
Für <I>R =</I> Ro; <I>W= Wo</I> ergibt sich:
EMI0004.0043
In Gleichung II eingesetzt
EMI0004.0045
<I>Beispiel:</I> Ro = 127 mm, Wo = 15,2 mm, gewünsch- ter konstanter Konizitätswinkel 12 . Für jeden Radius ergibt sich W zu
EMI0005.0001
Aus dieser Gleichung erhält man ohne wei teres die Form der gekrümmten Diffusor- wand. Bei Zunahme von R von 1.27 mm bis 35.1 mm nimmt W ab von 15,2 bis 11,2,5 mm.
Der Vergleichsdiffusor als Kegelstumpf hat einen Radius der kleineren Kreisfläche am Eintritt von 6\3,2 mm, Der Radius der grösse ren Kreisfläche am Austritt ist 75,1 mm. Die ser Konus weist einen Konuswinkel von 1.111 52' auf.
Die Erfindung beschränkt sich natürlieh nicht auf Diffusoren, welche sich radial von einem Laufradende aus erstrecken.