CH668808A5

CH668808A5 - Diffusor fuer einen radialverdichter.

Info

Publication number: CH668808A5
Application number: CH5659/84A
Authority: CH
Inventors: Alexander Connor Bryans
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1983-12-02
Filing date: 1984-11-27
Publication date: 1989-01-31
Also published as: GB8428339D0; DE3442665A1; FR2556054A1; JPS60145499A; CA1233147A; DE3442665C2; IT1221005B; JPH0514119B2; GB2150638A; IT8423597A0; GB2150638B; US4576550A; FR2556054B1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen Diffusor oder Leitapparat für einen Kreiseloder Radialverdichter, der so ausgebildet ist, dass die Strömungsverteilung zu einer Brennkammer optimiert wird, und dass er mit engen Toleranzen auf eine Weise gefertigt werden kann, die Gleichmässigkeit von Diffusoren untereinander gewährleistet.

Ein Radialverdichter enthält ein Laufrad, das durch ihn hindurchströmendes Gas beschleunigt und dadurch dessen kinetische Energie vergrössert. Der Diffusor ist insgesamt durch einen quasi-schaufellosen Ringraum, der das Laufrad umgibt, gekennzeichnet. Der Diffusor dient zum Verringern der Geschwindigkeit des das Laufrad verlassenden Gasstroms, um die Energie desselben in eine Erhöhung des statischen Druckes umzuwandeln und so Druckgas zu erzeugen.

Bekannte Diffusoren enthalten im allgemeinen mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Kanäle, die zu dem Ringraum hin, der das Laufrad umgibt, konvergieren. Diese Kanäle erweitern sich in einem Bereich stromabwärts des Laufrades, um die das Laufrad verlassende Strömung zu zerstreuen. Bei bekannten Diffusoren dieses Typs, die für die Verwendung bei Gasturbinentriebwerken vorgesehen sind, hat es sich gezeigt, dass die Diffusorkanäle am Anfang einen kreisförmigen Querschnitt haben sollten, um sie den relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten der das Laufrad verlassenden Gase mit minimalen Verlusten anzupassen, und dass sie danach allmählich in einen nahezu rechteckigen Auslass übergehen sollten, um Verluste zu minimieren.

Ein Diffusor dieses Typs ist in der US-PS 4027 997 beschrieben. Dieser bekannte Diffusor hat mehrere lineare Kanäle in Strömungsverbindung mit einem quasi-schaufellosen ringförmigen Einlass, der das Laufrad eines Radialverdichters umgibt. Jeder Kanal geht allmählich von einem kreisförmigen Querschnitt an einem engsten Teil nahe seinem Einlassende in einen nahezu rechteckigen Querschnitt an seinem Auslassende über, der durch zwei ebene, einander gegenüberliegende, parallele Seiten und durch zwei ebene, einander gegenüberliegende, gekrümmte Seiten begrenzt ist, die eine rasiermesserscharfe Hinterkante an dem Dif-fusorauslass ergeben. Diese nahezu rechteckige Form des Diffu-sorauslasses optimiert die Strömungsverteilung zu einer ringförmigen Brennkammer, die mit dem Diffusorauslass in Strömungsverbindung steht.

Diese bekannten Diffusoren haben beträchtliche Verbesserungen der Leistungsfähigkeit von Radialverdichtern für Gasturbinentriebwerke mit sich gebracht. Da jedoch der quasi-schaufellose Einlass des Diffusore beschleunigte Gase direkt aus dem Laufrad empfangt, ergeben sich aufgrund des hohen Viskositätsströ-mungswiderstands unerwünschte Druckverluste. Es ist demge-mäss Aufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Diffusor für einen Radialverdichter zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung ein Diffusor geschaffen werden, bei dem die Länge des quasi-schaufellosen Einlasses kleiner ist, um den gesamten Viskositätsströmungswiderstand an ihm zu verringern.

Schliesslich soll durch die Erfindung ein Diffusor für einen Radialverdichter geschaffen werden, der so ausgebildet ist, dass die Strömungsverteilung zu einer Brennkammer optimiert wird und dass er mit engen Toleranzen auf eine Weise gefertigt werden kann, die Gleichmässigkeit der Diffusoren untereinander gewährleistet.

Der Diffusor nach der Erfindung hat mehrere Kanäle, die sich an ihren radial inneren Enden schneiden und einen quasi-schaufellosen ringförmigen Einlass zum Empfangen von beschleunigten Gasen aus einem Laufrad eines Radialverdichters begrenzen. Jeder Kanal hat einen engsten Teil, der einen viereckigen Querschnitt mit zwei im wesentlichen parallelen, linearen Seitenwänden und zwei im wesentlichen bogenförmigen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden hat, wodurch die Länge verringert und dadurch Druckverluste an dem ringförmigen Einlass reduziert werden. Die Linearität und die Regelmässigkeit der Diffusorkanäle ermöglichen, den Diffusor mit engen Toleranzen durch elektro-erosive Bearbeitung einer ringförmigen Platte unter Verwendung eines einzigen Werkzeuges zu fertigen. Das gewährleistet Gleichmässigkeit und Beständigkeit der gefertigten Diffusoren.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fîg. 1 eine Teilschnittansicht eines Verdichters mit einem Diffusor nach der Erfindung,

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Fîg. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2 in Fîg. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung, die einen Vergleich des Schnittes eines Kanals mit einem engsten Durchlass gemäss der Erfindung und eines Kanals gleichen, aber kreisförmigen Querschnittes zeigt,

Fig. 4 eine Schnittansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 1, Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie 5-5 in Fig. 1, Fig. 6 eine Schnittansicht nach der Linie 6-6 in Fig. 1 und Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Elektrode zur elektro-erosiven Bearbeitung eines Kanals, der den in Fig. 1 dargestellten gleicht.

Fîg. 1 zeigt eine Teilschnittansicht eines Radialverdichters 10, der dazu dient, Luft, die einer Brennkammer eines herkömmlichen Gasturbinentriebwerks (nicht dargestellt) zugeführt wird, unter Druck zu setzen. Der Verdichter 10 hat ein ringförmiges Laufrad 12 in Strömungsverbindung mit einem verbesserten ringförmigen Diffusor oder Leitapparat 14 nach der Erfindung, der radial ausserhalb des Laufrades angeordnet ist. Radialverdichter dienen bekanntlich zum Umwandeln der relativ hohen kinetischen Energie von durch das rotierende Laufrad 12 beschleunigten Gasen in statische Druckenergie. Der Difiusor 14 nach der Erfindung stellt jedoch eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Diffusoren und insbesondere gegenüber dem oben beschriebenen, aus der US-PS 4027 997 bekannten Diffusor dar.

Das herkömmliche Laufrad 12 hat mehrere in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete Laufschaufeln 16, die an einem ringförmigen Steg 18 befestigt sind. Der Diffusor 14 hat ein ringförmiges Diffusorgehäuse 20, das mehrere tangential angeordnete Strömungskanäle 22 hat, die längs linearen Mittellinien angeordnet, über den Umfang des Gehäuses 20 verteilt sind und sich durch dieses erstrecken. Die Kanäle 22 werden teilweise durch mehrere gegenseitigen Abstand aufweisende, insgesamt konvexe Leitschaufeln 23 begrenzt. Benachbarte Kanäle 22 schneiden sich gegenseitig in radial inneren Einlassteilen 24, die einen quasi-schaufellosen, ringförmigen Einlass 26 des Diffusore 14 bilden. Jeder Kanal 22 hat weiter einen engsten Teil 28, der ein integraler Bestandteil des Einlassteils 24 ist und einen ersten viereckigen Querschnitt 30 hat, welcher dessen Strömungskanal begrenzt und zwei im wesentlichen parallele, lineare, einander gegenüberliegende Seitenwände 32 und 34 und zwei im wesentlichen bogenförmige, einander gegenüberliegende Seitenwände 36 und 38 aufweist (vgl. Fig. 2).

Gemäss der Darstellung in den Fig. 1, 4 und 5 ist der Einlassteil 24 ein teilweise begenzter Kanal, der einen insgesamt halbkreisförmigen, an einem Scheitel offenen Querschnitt, der sich an seinem stromabwärtigen Ende zu einem ebenen, linearseitigen Querschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende veijüngt, wo er den engsten Teil 28 schneidet. Der engste Teil 28 stellt den ersten vollständig begrenzten Strömungsteil des Kanals 22 dar. Der ringförmige Einlass 26 wird als quasi-schaufellos definiert, weil die Leitschaufeln 23 hauptsächlich an dem stromabwärtigen Ende des engsten Teils 28 endigen und sich nur relativ kleine Lippenoder Stufenteile 23a und 23b von dem engsten Teil 28 aus zu dem stromabwärtigen Ende des Einlassteils 24 erstrecken und verjüngen.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Einführung der Stufenteile 23a und 23b in den Einlassteil 24, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, die ebene, radial nach aussen weisende Oberflächen, welche durch Teile der Seitenwand 32 dargestellt werden, und bogenförmige, radial nach innen weisende Oberflächen aufweisen, die durch Teile der Seitenwände 36 und 38 dargestellt werden. Die ebenen Oberflächen der Stufenteile 23a und 23b dienen als Wände, welche helfen, den Luftstrom in dem quasi-schaufellosen Einlass 26 einzuschliessen, um dessen Verzerrung und die Möglichkeit eines Strömungsabrisses darin zu reduzieren.

Der Druck des Luftstroms in den Einlass 26 nimmt in Richtung radial nach aussen zu. Der höhere Druck an den radial äusseren Teilen wird bestrebt sein, die Grenzschicht, die sich längs der Wände des Einlasses 26 befindet, radial nach innen zu drük-ken, was möglicherweise zum Strömungsabriss führen kann. Demgemäss werden die ebenen Oberflächen der Stufenteile 23a und 23b helfen, die Bewegung der Grenzschicht zu dem Laufrad hin zu verhindern, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses reduziert und dadurch der Strömungsabrissspielraum vergrössert und eine grössere Leistungsfähigkeit des Diffusore 14 ermöglicht wird.

Der engste Teil 28 stellt gemäss der Erfindung eine beträchtliche Verbesserung im aerodynamischen Wirkungsgrad des Diffusore 14 dar. Es ist herkömmlich, einen Verdichter unter Berücksichtigung der Triebwerksleistung, des Druckverhältnisses und der Strömungsvolumina zu entwerfen, beispielsweise um die erforderliche Anzahl der tangential angeordneten Diflusorkanäle 22, den erforderlichen Durchflussquerschnitt A der engsten Teile 28 und die Breite 2b der radial äusseren Spitzenenden der Laufschaufeln 16 (vgl. Fig. 5) zu bestimmen. Wenn der Durchflussquerschnitt A des engsten Teils bekannt ist, wird eine besondere Form oder ein besonderer Querschnitt des engsten Teils 28 festgelegt. Bei herkömmlichen Hochleistungsdiffusoren wird ein kreisförmiges Profil des engsten Teils 28 bevorzugt. Gemäss der Erfindung ist jedoch festgestellt worden, dass der engste Teil 28, der den vierek-kigen Querschnitt 30 hat, bei dem der Abstand zwischen den Seitenwänden 32 und 34 kleiner ist als der Durchmesser eines Kreises gleichen Flächeninhalts, eine verbesserte aerodynamische Leistungsfähigkeit des Diffusore 14 ergibt.

In den Fig. 1, 4 und 5 ist der Einlassteil 24 der Kanäle 22 dargestellt und hat eine Länge Li. Der Einlassteil 24 empfangt Gase aus dem Laufrad 12 mit relativ hohen Geschwindigkeiten und relativ niedrigen Drücken und unterliegt deshalb einem relativ hohen Viskositätsströmungswiderstand. Es ist festgestellt worden, dass jede Reduzierung der Länge Li des Einlassteils 24 den Flächeninhalt verkleinert, der dem relativ hohen Viskositätsströmungswiderstand ausgesetzt ist, und deshalb zu einer Verringerung des gesamten Viskositätsströmungswideretands führt.

In Fig. 3 ist ein Diagramm gezeigt, das deutlicher veranschaulicht, wie der erste viereckige Querschnitt 30 des engsten Teils 28 das Reduzieren der Länge Li des Einlasses 24 ermöglicht. Der Tangentenkreis T der Mittellinien der Kanäle 22 ist dargestellt und hat einen Radius r, wobei der Radius r im wesentlichen gleich dem Radius des Laufrades 12 ist. Ausserdem sind zwei benachbarte, sich schneidende Kanäle dargestellt, die einander überlagerte Querschnitte haben: den ersten viereckigen Querschnitt 30 und einen kreisförmigen Bezugsquerschnitt 40, die sich gemeinsame tangentiale Mittellinien teilen und beide eine Querschnitts-fläche haben, die gleich A ist.

Die Kanäle, die einen kreisförmigen Querschnitt 40 haben, werden sich gegenseitig in einem Abstand L2 schneiden, der rechtwinkelig zu dem Radius r in dem Tangentenpunkt der Mittellinie des oberen Kanals gemessen wird. Dagegen würden sich Kanäle, die den ersten viereckigen Querschnitt 30 haben, gegenseitig in einem Abstand Li schneiden, wobei Li wesentlich kleiner als L2 ist. Demgemäss wird für einen bestimmten Durchflussquerschnitt A ein engster Teil 28, der den ersten viereckigen Quer-schnit 30 statt eines kreisförmigen Querschnittes 40 hat, einen Einlassteil 24 ergeben, der eine kleinere Länge Li und damit geringere Viskositätsströmungswiderstandskräfte hat.

Die bevorzugten Abmessungen des ersten viereckigen Querschnittes 30 sind so gewählt worden, dass nicht nur die Länge Li der Einlassteile 24 verringert wird, sondern dass auch ein Teil des kreisförmigen Querschnittes beibehalten wird, weil es sich gezeigt hat, dass die kreisförmigen Querschnitte die Verluste aufgrund der Strömungsablösung reduzieren.

Kreisförmige Querschnitte sind üblicherweise bevorzugt worden, weil sie bei einem bestimmten Querschnitt die am wenigsten benetzte Oberfläche, das heisst die kleinste Umfangslänge, die Strömungswiderstandskräften ausgesetzt ist, darstellen. Dagegen hat ein rein rechteckiger Querschnitt desselben Flächeninhalts

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eine benetzte Oberfläche, das heisst eine Umfangslänge, die grösser ist und deshalb zu grösseren Strömungswiderstandsverlusten führt. Der viereckige Querschnitt 30 bewahrt die Vorteile des kreisförmigen Querschnitts in den bogenförmigen Seitenwänden 36 und 38 und reduziert trotzdem die Länge Li, wie es oben beschrieben worden ist.

Gemäss den Fig. 2 und 5 haben die linearen Seitenwände 32 und 34 einen gegenseitigen Abstand 2b. Die bogenförmigen Seitenwände 36 und 38 des ersten viereckigen Querschnittes 30 sind durch einen Radius R festgelegt, der sich aus der Lösung folgenden Integrals ergibt:

b

A = 2 J (x ~j R2 - x2 + R2 Sin-1 |)dx

0

Die Lösung dieses Integrals erfolgt nach herkömmlichen Methoden. In dem Integral stellt «A» den Entwurfsdurchflussquerschnitt des engsten Teils 28 dar, der auf herkömmliche Weise bestimmt wird, «x» stellt den Abstand dar, der von der Mitte des ersten viereckigen Querschnittes 30 aus nach aussen hin zwischen den beiden linearen Seitenwänden 32 und 34 gemessen wird, und «b» stellt die Hälfte des Abstands zwischen den Seitenwänden 32 und 34 dar.

Die Strecke zwischen den beiden linearen Seitenwänden 32 und 34 hat einen Wert, der gleich 2b ist, welcher vorzugsweise gleich der Spitzenbreite der Laufschaufeln 16 ist, und, wenn der Radius R der beiden bogenförmigen Seitenwände 36 und 38 auf oben beschriebene Weise bestimmt wird, ist der erste viereckige Querschnitt 30 dadurch vollständig definiert.

Gemäss der Darstellung in den Fîg. 1 und 4 erstreckt sich der engste Teil 28, der den ersten vollständig umschlossenen Teil des Kanals 22 darstellt, welcher durch das Laufrad 12 beschleunigte Gase empfangt, in tangentialer Richtung über eine endliche Länge L3. Die Länge L3 wird so gewählt, dass, wenn der engste Teil 28 aufgrund von Verschleiss erodiert, der bevorzugte erste viereckige Querschnitt 30 für die Entwurfslebensdauer erhalten bleibt. Demgemäss kann die Länge L3 im allgemeinen gleich dem Durchmesser eines Kreises gemacht werden, der einen Flächeninhalt hat, welcher gleich der Fläche A des ersten viereckigen Querschnitts 30 des engsten Teils 28 ist.

Gemäss Fig. 1 hat jeder Kanal 22 weiter einen Diflusorteil 42, der integraler Bestandteil des engsten Teils 28 ist. An einem stromabwärtigen Ende hat der Diflusorteil 42 einen zweiten viereckigen Querschnitt 44, der zwei parallele, einander gegenüberlie-5 gende, lineare Seitenwände 46 und 48 sowie zwei im wesentlichen bogenförmige, einander gegenüberliegende Seitenwände 50 und 52 aufweist (vgl. Fig. 6). Der Diflusorteil 42 hat ein stromaufwärti-ges Ende, das ein integraler Bestandteil des engsten Teils 28 ist und einen dritten viereckigen Querschnitt 54 aufweist, der mit 10 dem ersten viereckigen Querschnitt 30 des engsten Teils 28 im wesentlichen identisch ist. Der Diflusorteil 42 verjüngt sich zwischen seinem stromaufwärtigen und seinem stromabwärtigen Ende allmählich.

Gemäss der Darstellung in den Fig. 2 und 6 ist der zweite 15 viereckige Querschnitt 44 des Diffusorteils 42 um etwa 90° zum ersten viereckigen Querschnitt 30 ausgerichtet. Gemäss Fig. 5 sind die linearen Seitenwände 32 und 34 des ersten viereckigen Querschnitts 30 des engsten Teils 28 im wesentlichen parallel zu den Spitzen der Laufschaufeln 16 und im wesentlichen normal zu 20 einer radialen Achse S des Diffusore 14 angeordnet.

Der verbesserte Difiusor 14 nach der Erfindung kann durch relativ billige Fertigungstechniken hergestellt werden, durch die sich enge Toleranzen und Gleichmässigkeit der Diffusoren untereinander aufrechterhalten lassen. Da die Mittellinie sowie die 25 Wände der Diffiisorkanäle 22 linear sein können und allmähliche und gleichmässige Übergänge haben, kann der Diffusor 14 leicht durch elektro-erosive Bearbeitungsverfahren (EDM) hergestellt werden.

Als Beispiel ist eine Elektrode 56 zur elektro-erosiven Bear-30 beitung in Fig. 7 gezeigt, die sich zur Herstellung von Kanälen eignet, welche den Diffusorkanälen 22 insgesamt gleichen, und zuerst auf einer Drehbank mit geeigneten zylindrischen, konischen und gekrümmten Abschnitten sehr genau spanabhebend bearbeitet werden kann. Teile der Elektrode 56, die die Merkmale 35 der Kanäle 22 erzeugen, sind mit den entsprechenden Bezugszahlen der Kanäle 22 bezeichnet. Zum einfachen und genauen Erzielen des ersten und des zweiten viereckigen Querschnittes 30 bzw. 44 können die linearen Seitenwände 32, 34,44 und 46 einfach und genau so spanabhebend bearbeitet bzw. plangeschlifien wer-4o den, dass sie sich verjüngen, um relativ gleichmässige Übergänge zu erzielen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Diffusor für einen Radialverdichter mit einem Laufrad, gekennzeichnet durch: ein ringförmiges Gehäuse (20); mehrere Kanäle (22), die über den Umfang des Gehäuses verteilt sind und sich durch dieses erstrecken, wobei benachbarte Kanäle einander an radial inneren Einlassteilen (24) derselben schneiden, um einen quasi-schaufellosen ringförmigen Einlass (26) des Diffusore (14) zu bilden, und wobei jeder Kanal (22) weiter einen engsten Teil (28) aufweist, der integraler Teil des Einlassteils (24) ist und einen viereckigen Querschnitt (30) mit zwei im wesentlichen parallelen, linearen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (32, 34) und mit zwei im wesentlichen bogenförmigen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (36, 38) hat.
2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Seitenwände (32, 34) im wesentlichen normal zu einer radialen Achse (S) des Diffusore (14) angeordnet sind.
3. Difiusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Seitenwände (32, 34) einen gegenseitigen Abstand 2b, und die bogenförmigen Seitenwände (36, 38) des engsten Teils (28) jeweils einen Radius R haben, der sich vom Mittelpunkt des engsten Teils (28) erstreckt, und dass der Flächeninhalt (A) des engsten Teils (28) wie folgt definiert ist:

b __

A = 2 J (x^ R2 - x2 + R2 Sin"1 |) dx

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4. Difiusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke b die Hälfte der Spitzenbreite der Schaufeln (16) des Laufrades (12) darstellt.
5. Difiusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der engste Teil (28) in tangentialer Richtung über eine Länge erstreckt, die insgesamt gleich dem Durchmesser eines Kreises ist, dessen Flächeninhalt gleich dem Flächeninhalt des ersten vierek-Mgen Querschnitts (30) des engsten Teils (28) ist.
6. Diffusor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (22) einen Diffiisorteil (42) aufweisen, der einstückig mit dem engsten Teil (28) ausgebildet ist und an einem stromab-wärtigen Ende einen zweiten viereckigen Querschnitt (44) mit zwei im wesentlichen parallelen, einander gegenüberliegenden, linearen Seitenwänden (46,48) und zwei im wesentlichen bogenförmigen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (50, 52) hat.
7. Difiusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Diflusorteil (42) an einem stromaufwärtigen Ende einen dritten, viereckigen Querschnitt (54) aufweist, der mit dem ersten viereckigen Querschnitt (30) des engsten Teils (28) im wesentlichen identisch ist, wobei der Diflusorteil sich zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende allmählich verjüngt.
8. Difiusor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, viereckige Querschnitt (44) um etwa 90° in bezug auf den ersten, viereckigen Querschnitt (30) ausgerichtet ist.