DE102015219556A1

DE102015219556A1 - Diffusor für Radialverdichter, Radialverdichter und Turbomaschine mit Radialverdichter

Info

Publication number: DE102015219556A1
Application number: DE102015219556.2A
Authority: DE
Inventors: Simon SCHULDT; Knut Rosenau
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2017-04-13
Also published as: US11187243B2; US20170102005A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor (1) für einen Radialverdichter (3) einer Turbomaschine, wobei der Diffusor (1) eine Vielzahl von Diffusorkanälen (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorkanäle (10) sich über einen radialen Bereich (R) des Diffusors (1) über einen gekrümmten Bereich (K) in einen axialen Bereich (A) des Diffusors (1) erstecken, wobei im radialen Bereich (R) des Diffusors (1) die Diffursorkanäle (10) in Laufrichtung des Radialverdichters gekrümmte oder gerade Diffusorwände (12), insbesondere an Keilschaufeln (11) aufweisen. Die Erfindung betrifft auch einen Radialverdichter und eine Turbomaschine.

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 19 und eine Turbomaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 20.
Radialverdichter werden z.B. in Turbomaschinen, insbesondere auch in Hubschrauber- und Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Dabei weist ein Radialverdichter ein Laufrad auf, an das sich ein Diffusor als Leitrad (d.h. Stator) anschließt. Am Austritt des Laufrades liegt eine hohe Absolutgeschwindigkeit des abströmenden Gases vor, die im Diffusor durch Verzögerung des strömenden Gases in statischen Druck umgewandelt wird. Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Diffusor mit Schaufeln, Keilschaufeln oder erweiternden Rohren zu versehen, die die Strömung in radialer Richtung führen und axial umlenken.
Bei der Schaffung solcher Lösungen ist es von Bedeutung, den Bauraum für den Radialverdichter effizient zu nutzen.
Die Aufgabe wird durch einen Diffusor für einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Diffusor weist eine Vielzahl von Diffusorkanälen auf, die das abströmende Gas weiter radial nach außen leiten und verzögern. Dabei erstrecken sich die Diffusorkanäle über einen radialen Bereich des Diffusors über einen gekrümmten Bereich in einen axialen Bereich des Diffusors, wobei im radialen Bereich des Diffusors die Diffusorkanäle in Laufrichtung des Radialverdichters gekrümmte oder gerade Diffusorwände, insbesondere an Keilschaufeln aufweisen.
Damit wird das durch den Diffusor strömende Gas durch einen radialen und einen axialen Bereich geführt, wobei der gekrümmte Bereich den Übergang zwischen diesen Bereichen bildet.
Das Gas strömt durch die Ausgestaltung der Diffusionskanäle vergleichsweise lange in der Austrittsebene des Radialverdichters. Das ist sinnvoll, da eine sofortige Umlenkung in axiale Richtung zu Effizienzverlusten führt. Durch die Krümmung der Diffusorkanäle in Umfangsrichtung bleibt die Länge der Diffusorkanäle gleich, aber der radiale Bauraum verkleinert sich.
Dabei sind die Diffusorkanäle auf einer Basisplatte und / oder einer Abdeckung des Diffusors angeordnet, wobei Diffusorwände in Umfangsrichtung des Diffusors gekrümmt oder gerade sind. Die Diffusorwände sind insbesondere an Keilschaufeln angeordnet. Zwischen zwei Schaufeln, d.h. in den Diffusorkanälen, wird das strömende Gas schräg radial weiter nach außen geführt und dabei verzögert. Anschließend wird es bedingt durch den gekrümmten Bereich axial umgelenkt und in axialer Richtung weiter verzögert. Dabei kann es in der axialen Umlenkung verzögert, beschleunigt oder nur umgelenkt werden.
In einer Ausführungsform werden die Diffusorkanäle seitlich von den Diffusorwänden begrenzt, die sich durchgehend vom radialen Bereich, über den gekrümmten Bereich und den axialen Bereich erstrecken. Somit wird das strömende Gas kontinuierlich in den Diffusorkanälen geführt.
In einer weiteren Ausführungsform weist der gekrümmte Bereich, also der Bereich, der den Übergang zwischen dem radialen Bereich in den axialen Bereich bildet, eine kreisförmige oder elliptische Kontur auf.
In einer weiteren Ausgestaltung des Diffusors beträgt das Längenverhältnis der Strömungswege der Diffusorkanäle im radialen Bereich zu den Strömungswegen in den Diffusorkanälen im axialen Bereich zwischen 1:1 und 4:1, insbesondere 3:1. Dieses Verhältnis kann je nach Anwendungsfall gewählt werden. Je größer das Verhältnis, desto größer ist die Effizienz, aber auch der radiale Bauraum.
In einer Ausführungsform weist eine Neigung des Diffusorkanals im Bereich des Diffusoraustritts einen Neigungswinkel von bis zu 30° in Richtung der Drehachse des Radialverdichters auf; d.h. es liegt eine Neigung nach Innen vor. Damit ist es z.B. möglich aus dem Diffusor austretendes Gas gezielt in Richtung einer Brennkammer der Turbomaschine und / oder in Richtung von Kraftstoffdüsen zu leiten. Auch damit kann eine besondere kompakte Bauform der Turbomaschine erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung betragen die Eintrittswinkel der Diffusorwände der Diffusorkanäle, insbesondere an Diffusorvollkeilen zwischen 15° und 30°, insbesondere zwischen 18° und 25°, ganz insbesondere 21°, wobei der Eintrittswinkel von einer Tangente T des Laufrades gemessen wird.
In einer anderen Ausführungsform betragen die Winkel der Keilschaufeln am inneren Umfang des Diffusors zwischen 4° und 15°.
Ferner können die Diffusorkanäle einen Bereich aufweisen, bei dem eine stromab der Strömungsrichtung liegende Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung größer ist als eine stromaufwärts liegende Querschnittsfläche. Damit wird ein Druckanstieg im Diffusor bewirkt. Insbesondere können die vergrößerten Querschnittsflächen der Diffusorkanäle durch in Strömungsrichtung spitz auslaufende Bereiche der Keilschaufeln im Bereich der axialen Abströmung gebildet sein. Der Zuspitzungs-Winkel der Keilschaufeln am Austritt kann insbesondere zwischen 8° und 60° liegen.
In einer Ausgestaltung kann das Verhältnis der Querschnittsfläche im radialen Eintrittsbereich der Diffusorkanäle zu der Querschnittsfläche im axialen Austrittsbereich zwischen 1:1,2 und 1:4 liegen, insbesondere bei 1:2. Dies bedeutet, dass sich die Querschnittsflächen im axialen Bereich weiter vergrößern.
Auch kann im gekrümmten Bereich, also im Übergang vom radialen in den axialen Bereich, die Basisplatte einen Krümmungsradius zwischen 5% und 60%, insbesondere 10% bis 40% der radialen Baulänge des Diffusors aufweisen. Dadurch kann die radiale Baugröße beeinflusst werden.
Auch weisen in einer weiteren Ausführungsform im gekrümmten Bereich Abdeckungen der Diffusorkanäle einen Krümmungsradius von 5% bis 120%, insbesondere 5% bis 60% der radialen Baulänge (d.h. des Außendurchmesser) des Diffusors auf.
In einer Ausführungsform beträgt der Krümmungsradius der Diffusorwände, insbesondere der Keilschaufeln zwischen 30% und 200%, insbesondere zwischen 80% und 120% des Außendurchmessers des Diffusors.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind 15 bis 30, insbesondere 17 bis 25, ganz insbesondere 20 Keilschaufeln in gleichmäßigen Winkelabstand verteilt auf der Basisplatte angeordnet.
Zwischen den Keilschaufeln können in einer anderen Ausführungsform Zwischenschaufeln angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Abströmung in eine Brennkammer in Umfangrichtung und in Laufrichtung des Radialverdichters unter einem Drallwinkel mehr als 0° und weniger als 40°, insbesondere unter einem Drallwinkel zwischen 20° und 30°. Der Winkel wird dabei in der Projektion zur Drehachse gemessen. Die Strömung ist am Diffusoraustritt drallbehaftet in Laufrichtung des Radialverdichters.
Die Aufgabe wird auch durch einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 19 und eine Turbomaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst.
In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Flugzeugtriebwerkes mit einem Radialverdichter;
2 eine schematische Seitenansicht eines Radialverdichters mit einem Rotor, einem Stator und entsprechend ausgerichteten Kraftstoffdüsen für einen Brenner;
3 eine perspektivische Ansicht eines Radialverdichters gemäß des Standes der Technik;
4 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Diffusors mit einer Umlenkung von einer radialen Richtung in eine axiale Richtung am Austritt;
5 eine perspektivische Darstellung eines Details einer Ausführungsform eines Diffusors mit vergrößerter Querschnittsfläche;
6 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Diffusors mit einer Zwischenschaufel im radialen und axialen Bereich des Diffusorkanals;
7 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Diffusors mit einer Zwischenschaufel im axialen Bereich des Diffusorkanals;
8 eine schematische Darstellung des Eintrittswinkels einer Ausführungsform einer Keilschaufel;
9 eine schematische Darstellung des Winkels einer Ausführungsform einer Keilschaufel;
10 eine schematische Darstellung eines Krümmungsradius einer Ausführungsform einer Keilschaufel;
11 eine schematische Außenansicht einer Ausführungsform eines Diffusors zur Darstellung von Krümmungsradien;
12 eine schematische Außenansicht einer Ausführungsform eines Diffusors zur Darstellung eines Zuspitzungs-Winkels am Austritt des Diffusors;
13 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Verringerung des Einbauraums durch in Umfangrichtung gekrümmte Keilschaufeln.
In 1 ist eine schematische Schnittansicht eines dreiwelligen Flugzeugtriebwerks 100 als Turbomaschine dargestellt, wobei sich alle Wellen um eine Triebwerkachse D drehen. Dabei wird eintretende Luft L durch einen Niederdruckverdichter 101 (auch Fan genannt) verdichtet. Der Anteil der Luft, der durch das Kerntriebwerk geführt wird, wird in der Folge durch einen Mitteldruckverdichter 102 und einen Hochdruckverdichter 103 verdichtet. Im Anschluss an den Hochdruckverdichter 103 ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Radialverdichter 2 angeordnet. Die daraus austretenden Gase werden in eine Brennkammer 104 geführt.
Die stark erhitzten Gase, die aus der Brennkammer 104 austreten, werden dann in der Folge durch die Hochdruckturbine 105, die Mitteldruckturbine 106 und die Niederdruckturbine 107 entspannt. Die Turbinen 105, 106, 107 treiben dabei in bekannter Weise die Verdichter 101, 102, 103 an.
In alternativen Ausgestaltungen kann das Flugzeugtriebwerk 100 auch weniger Wellen aufweisen. Auch kann die Gestaltung und Anordnung des Radialverdichters 2 variieren.
Die Triebwerkachse D ist auch die Drehachse des Radialverdichters 2, der in 2 in einer Seitenansicht dargestellt ist. Der Radialverdichter 2 weist ein Laufrad 3 und einen Diffusor 1 auf. Am Diffusor 1 sind Diffusorkanäle 10 angeordnet, durch die die aus dem Rotor 30 strömenden Gase geführt werden.
Dabei weist der Diffusor 1 einen radialen Bereich R (in 4 dargestellt) und einen axialen Bereich A auf. Die Diffusorkanäle 10 in diesen Bereichen R, A sind so gekrümmt, dass das in den Diffusorkanälen 10 strömende Gas unterschiedliche Strömungskomponenten aufweist. Der radiale und axiale Bereich des Diffusors bezieht sich auf die Bauform des Diffusors und nicht auf die Strömungsrichtung des Gases.
Die Diffusorkanäle 10, die sich in radialer Richtung (in 2 nicht zu erkennen) und axialer Richtung (in 2 erkennbar) erstrecken, werden von Keilschaufeln 11 gebildet.
Die Diffusorkanäle 10 sind in Richtung der Drehachse D geneigt, so dass die axiale Komponente des ausströmenden Gases den Diffusor 1 auch unter diesem radial nach innen gerichteten Winkel verlässt. Stromabwärts sind dann Kraftstoffdüsen 31 für die Brennkammern 104 angeordnet. Die Anordnung der Kraftstoffdüsen 31 erfolgt dabei so, dass die Sprührichtung des Kraftstoffs auf den Austrittswinkel der Gase ausgerichtet ist.
In 3 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Radialverdichter 2 einer Turbomaschine, hier einem Flugzeugtriebwerk, in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Drehachse D des Flugzeugtriebwerks 100 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Das Laufrad 3 des Radialverdichters 2 lenkt das – hier von links kommende, axial strömende Gas – in eine radiale Strömung (durch Pfeil dargestellt) um, wobei das Laufrad 3 für eine erhebliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und des statischen Drucks (Reaktionsgrad etwa 0,5) sorgt. Das radial aus dem Laufrad 3 ausströmende Gas trifft dann auf einen Diffusor 1, der das Laufrad 3 ringförmig am Umfang umgibt. Der Diffusor 1 weist eine Vielzahl von Diffusorkanälen 10 auf, die Diffusorwände 12 und eine Basisplatte 20 aufweisen. Die Diffusorwände 12 sind in dieser Ausgestaltung an Keilschaufeln 11 angeordnet. Alternativ können auch gekrümmte Diffusorwände 12 vorliegen.
In dem aus dem Stand der Technik bekannten Diffusor 1 wird die Strömung in Fortsetzung der radialen Ausströmung aus dem Laufrad 3 radial nach außen geführt und dabei verzögert. Die Abströmung aus dem Diffusor 1 erfolgt ebenfalls in radialer Richtung, d.h. die Diffusorkanäle 10 ändern in Strömungsrichtung des Gases ihre Richtung nicht.
In 4 ist eine Ausführungsform des Diffusors 1 dargestellt, bei dem Diffusorkanäle 10 im Diffusor 1 in Strömungsrichtung ihre Richtung ändern. Das Laufrad 3 ist in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht detailliert dargestellt.
Der hier dargestellte Diffusor 1 weist zwanzig Diffusorkanäle 10 auf, die in gleichmäßigem Winkelabstand über die Basisplatte 20 verteilt sind. In anderen Ausführungsformen können z.B. zwischen 15 und 30 Diffusorkanäle 10 verwendet werden.
Dabei weist der Diffusor 1 drei hintereinander durchströmte Bereiche auf: einen radialen Bereich R, einen gekrümmten Bereich K und einen axialen Bereich A. Die Diffusorkanäle 20 durchlaufen diese drei Bereiche R, K, A kontinuierlich, d.h. die Diffusorkanäle 20 erstrecken sich durchgehend über die drei Bereiche R, K, A.
Das strömende Gas tritt hier aus dem Laufrad 3 in die Diffusorkanäle 10 ein. Die Strömung im radialen Bereich R ist in der 4 an einigen Stellen durch einen Pfeil symbolisiert.
Der radiale Bereich R geht am Umfang des Diffusors 1 in einen gekrümmten Bereich K über, der das strömenden Gas in den axialen Bereich Richtung A umlenkt; d.h. der radiale Bereich R geht in einen axialen Bereich A über.
Damit ist dieser gekrümmte Bereich K ein Mittel, um die Gasströmung in den axialen Bereich A umzulenken, so dass die Abströmung aus dem Diffusor 1 nicht wie aus dem Stand der Technik bekannt in radialer Richtung nach außen erfolgt.
Aus dem Stand der Technik sind Diffusoren mit radialem und axialem Teil, die durch einen gekrümmten Bereich verbunden sind, bekannt. Allerdings weisen diese Diffusoren separate Schaufeln im radialen und axialen Bereich des Diffusors auf und der gekrümmte Bereich ist nicht beschaufelt.
Durch die Aufteilung der Diffusorkanäle 10 in einen radial Bereich R und einen axialen Bereich A und durchgehende Diffusorkanäle 10 vom radialen Bereich R über den gekrümmten Bereich K in den axialen Bereich A kann der radiale Bauraum des Radialverdichters 3 kleiner ausgeführt werden, ohne dass der Strömungsweg und damit der Aufbau des Druckes in der Gasströmung verringert wird.
Die Länge der Diffusorkanäle 10 bestimmt sich zum einen aus dem Wert, um den die Strömungsgeschwindigkeit des Gases reduziert werden soll, zum anderen aus dem Öffnungswinkel des Diffusors 1. Wird dieser Winkel relativ groß gewählt, so kann es an den Diffusorwänden 12 zu Strömungsablösungen kommen, die den Wirkungsgrad verschlechtern. Wird der Öffnungswinkel dagegen relativ klein gewählt, so ergeben sich lange Diffusorkanäle 10 mit den entsprechenden Reibungsverlusten, die auch wiederum zu schlechteren Wirkungsgraden führen. Es ist also immer ein Kompromiss zwischen Öffnungswinkel und Lauflänge der Diffusorkanäle erforderlich. Gute Ergebnisse werden z.B. mit einem Öffnungswinkel von etwa 14° erzielt, wobei der Winkel hier in der Projektion gemessen wird.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform werden die Diffusorkanäle 10 jeweils seitlich von Diffusorwänden 12 begrenzt, die hier als gerade Wände oder Wände mit sehr großem Krümmungsradius an den Keilschaufeln 11 ausgebildet sind. Die Keilschaufeln 11 – und damit auch die Diffusorwände 12 – sind aber über den gekrümmten Bereich K herumgeführt (siehe z.B. auch 5).
Der gekrümmte Bereich K kann einen Krümmungswinkel zwischen 80° bis 110° aufweisen. Dadurch, dass der Krümmungswinkel hier ca. 110° beträgt, wird das abströmende Gas in Richtung der Drehachse D gelenkt, d.h. die Strömung wird wieder in Richtung des Inneren der Turbomaschine geführt.
Die Abströmung in Umfangrichtung und in Laufrichtung des Radialverdichters erfolgt unter einem Drallwinkel von mehr als 0° und weniger als 40°, insbesondere unter einem Drallwinkel zwischen 10° und 30°. Dies kann z.B. dafür sinnvoll sein, wenn das abströmende Gas gezielt in eine hier nicht dargestellte Brennkammer geführt werden soll.
Der Krümmungsradius des gekrümmten Bereichs kann eine kreisförmige Kontur aufweisen oder auch eine elliptische Kontur.
In der 4 ist die Länge des axialen Bereichs A hinter dem gekrümmten Bereich K vergleichsweise klein zur Länge des radialen Bereichs R vor dem gekrümmten Bereich K. Das Verhältnis radialer Länge zu axialer Länge ist ungefähr 3:1. In anderen Ausführungsformen kann dieses Längenverhältnis auch zwischen 1:1 und 4:1 ausgebildet sein.
In 5 ist der Abströmbereich einer Ausführungsform eines Diffusors 1 dargestellt, der im Wesentlichen der Ausführungsform der 4 entspricht. Daher kann auf die entsprechende Beschreibung Bezug genommen werden. Auch sind hier der radiale Bereich R und der axiale Bereich A dargestellt.
Hier sind zwei Diffusorkanäle 10 vergrößert dargestellt, wobei die Strömung des Gases im rechten Diffusorkanal 10 durch Pfeile dargestellt ist. Im linken Diffusorkanal 10 sind drei Querschnittsflächen 21, 22, 23 des Diffusorkanals 10 eingezeichnet. Die zweite Querschnittsfläche 22 ist gegenüber der stromaufwärtsliegenden ersten Querschnittsfläche 21 größer, so dass im Bereich des radialen Bereichs R des Diffusors 1 eine Verzögerung der Strömung erfolgt.
Diese Abbremsung wird im axialen Bereich A des Diffusors 1 (also hinter dem gekrümmten Bereich K) noch verstärkt, indem die Keilschaufeln 11 zum Abströmende spitz zulaufen. Damit werden die Querschnittsflächen der Diffusorkanäle 10 nochmals erweitert, was die Druckerhöhung des Gases verbessert. Die dritte Querschnittsfläche 23 ist deutlich größer als die erste oder zweite Querschnittsfläche 21, 22.
Durch eine solche Gestaltung kann die Zunahme der Querschnittsfläche des Diffusorkanals 10 entlang der Strömungsrichtung von der Einströmöffnung bis zur Abströmöffnung im Wesentlichen linear ausgebildet werden. Ein weiteres Merkmal ist, dass durch die genannten Parameter Querschnittsflächenverläufe in einer großen Bandbreite darstellen lassen. So kann die Diffusion z.B. zwischen 1:1 und 1:4 variieren.
Auch können lineare oder exponentielle Verläufe zwischen diesen Diffusionsverhältnissen realisiert werden.
Die Diffusion kann auch im radialen, gekrümmten und axialen Bereich R, K, A unterschiedlich sein, z.B. kann die Expansion im gekrümmten Bereich K nur 50% bis 100% der Expansion im radialen Bereich R betragen, um Ablösung an den Diffusorwänden des gekrümmten Bereiches zu vermeiden. Das kann auch variiert werden. Es ist sinnvoll, direkt nach dem Radialverdichter langsam zu verzögern.
In den 6 und 7 sind Ausführungsformen dargestellt, bei denen in den Diffusorkanälen 10 Zwischenschaufeln 13 angeordnet sind. Zwischenschaufeln sind sinnvoll, wenn die Einlaufbereiche der Diffusoren relativ klein zur Austrittsfläche sind und die Expansion auf relativ kurzer Lauflänge erreicht werden soll. Sie vermeiden damit die Ablösung der Strömung von den Wandflächen, erhöhen allerdings die Wandreibung. Auch verbessern sie die axiale Umlenkung.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 beginnen die Zwischenschaufeln 13 in Strömungsrichtung mit etwas Abstand hinter der Einströmöffnung der Diffusorkanäle 10. Die Zwischenschaufeln 13 sind dünnwandig mit konstanter Wanddicke ausgebildet, können aber auch als Keilschaufeln ausgebildet werden, und erstrecken sich vom radialen Bereich des Diffusorkanals 19 um den gekrümmten Bereich K herum über den axialen Bereich des Diffusorkanals 10 bis zur Abströmöffnung des Diffusorkanals 10.
In der Ausführungsform des Diffusors 1 gemäß 7 hingegen sind die Zwischenschaufeln 13 nur im axialen Bereich A des Diffusorkanals 10 angeordnet. Auch sind die Zwischenschaufeln 13 konturiert ausgebildet, d.h. die Wanddicke ist nicht konstant. Die kürzeren Zwischenschaufeln 13 dienen zur Verbesserung der Umlenkung. Die längeren Zwischenschaufeln dienen auch zur Teilung des Diffusorkanals 10. Damit bilden sich zwei Kanäle mit kleinerer Verzögerung und die Strömung löst nicht ab, die Wandreibung erhöht sich aber.
In den folgenden Figuren werden einige geometrische Abmessungen des Diffusors 1 näher beschrieben.
In 8 ist in schematischer Weise der Einlaufbereich des Diffusors 1 dargestellt, der hier Keilschaufeln 11 aufweist. Die Keilschaufeln 11 sind gegenüber einer Tangenten T des Laufrades 3 um den Winkel α geneigt. Der Winkel α kann z.B. zwischen 15° und 30°
betragen. Die Diffusorwände 12 an den Keilschaufeln 11 sind hier gekrümmt mit einem Krümmungsradius r ausgebildet.
In 9 ist im Wesentlichen der gleiche Ausschnitt wie in 8 dargestellt. Hier wird dargestellt, dass der Winkel β der Keilschaufeln 11 am inneren Umfang des Diffusors 1 zwischen 4° und 15° beträgt.
Der Eintrittswinkel α wird über das Laufrad 3 definiert. Dabei ist eine gewisse Laufstrecke in radialer Richtung notwendig, bis die Strömung axial umgelenkt werden kann. Durch Krümmung der Keilschaufeln 11 in Umfangsrichtung bleibt die Laufstrecke konstant, aber der Durchmesser des Diffusors 1 sinkt. Allerdings auch die Schaufeldicke, welche sich durch den Winkel β ergibt. Bei geraden Keilschaufeln ist β relativ groß, da sonst die Diffusion zu groß ist und der radiale Bauraum ebenfalls zu groß wird. Bei gekrümmten Keilen um die Umfangsrichtung herum nimmt β ab, damit die Diffusion nicht zu kein wird und der radiale Bauraum wird kleiner.
Auch in 10 ist im Wesentlichen der gleiche Ausschnitt wie in 8 und 9 dargestellt. Der Krümmungsradius r einer Keilschaufel 11 kann zwischen 30% und 200% des Außendurchmessers des Diffusors betragen. Der Krümmungsradius r wird dabei in Blickrichtung auf den Diffusor 1 bestimmt, wobei der Mittelpunkt des Krümmungsradius r auf der Drehachse D liegt.
Die Keilschaufeln 11 können aber auch gerade ausgebildet sein. In 11 ist eine Außenansicht einer Ausführungsform eines Diffusors 1 dargestellt. Der Krümmungsradius Ri der Basisplatte entspricht 5% bis 50% der radialen Baulänge des Diffusors 1. Der Krümmungsradius Ra der Abdeckung der Diffusorkanäle 10 liegt im Bereich von 5% bis 60% der radialen Baulänge des Diffusors 1.
In 12 ist im Wesentlichen die gleiche Ansicht, wie in 11 dargestellt, wobei insbesondere der Zuspitzungs-Winkel γ dargestellt wird. Dieser kann zwischen 8° und 60° betragen.
In 13 ist in einer Prinzipskizze dargestellt, welchen Effekt die Verwendung von in Umfangsrichtung gekrümmten Schaufellkeilen hat.
Ein Diffusor 3 ist hier in einer axialen Ansicht dargestellt. Eine Verwendung von geraden Keilschaufeln 11, d.h. Keilschaufeln 11, die im hier dargestellten Teil im Wesentlichen gerade Wände aufweisen, benötigen einen Radius R₁ zum äußeren Rand gemessen von der Drehachse D. Die Querschnittsfläche sei hier A₁.
Wenn bei gleicher Querschnittsfläche A₂ in Umfangsrichtung gekrümmte Keilschaufeln 11 verwendet werden, ist der Radius R₂ zum äußeren Rand kleiner, d.h. der radiale Bauraum ist kleiner bei konstanter Lauflänge des Gases in Radialebene.
Bezugszeichenliste

1: Diffusor
2: Radialverdichter
3: Laufrad
10: Diffusorkanal
11: Keilschaufel
12: Diffusorwand einer Keilschaufel eines Diffusorkanals
13: Zwischenschaufeln
20: Basisplatte
21: erste Querschnittsfläche des Diffusorkanals
22: zweite Querschnittsfläche des Diffusorkanals
23: dritte Querschnittsfläche des Diffusorkanals
24: Abdeckung Diffusorkanal
30: Rotor eines Radialverdichters
31: Kraftstoffdüse
100: Flugzeugtriebwerk
101: Niederdruckverdichter (Fan)
102: Mitteldruckverdichter
103: Hochdruckverdichter
104: Brennkammer
105: Hochdruckturbine
106: Mitteldruckturbine
107: Niederdruckturbine
A: axialer Bereich Diffusorkanals
D: Drehachse des Radialverdichters
K: gekrümmter Bereich des Diffusorkanals
L: Luftstrom in Flugtriebwerk
r: Krümmungsradius Keilschaufel
Ri: Krümmungsradius Basisplatte
Ra: Krümmungsradius Abdeckung des Diffusorkanals
R: radialer Bereich des Diffusorkanals
T: Tangente an Rotor
α: Eintrittswinkel
β: Winkel Keilschaufel
γ: Zuspitzungs-Winkel

Claims

Diffusor (1) für einen Radialverdichter (3) einer Turbomaschine, wobei der Diffusor (1) eine Vielzahl von Diffusorkanälen (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorkanäle (10) sich über einen radialen Bereich (R) des Diffusors (1) über einen gekrümmten Bereich (K) in einen axialen Bereich (A) des Diffusors (1) erstrecken, wobei im radialen Bereich (R) des Diffusors (1) die Diffusorkanäle (10) in Laufrichtung des Radialverdichters gekrümmte oder gerade Diffusorwände (12), insbesondere an Keilschaufeln (11) aufweisen.
Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorkanäle (10) seitlich von den Diffusorwänden (12) begrenzt werden, die sich durchgehend vom radialen Bereich (R), über den gekrümmten Bereich (K) und den axialen Bereich erstrecken.
Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Bereich (K) eine kreisförmige oder elliptische Kontur aufweist.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorwände (12) an einer Basisplatte (20) und / oder einer Abdeckung (24) des Diffusors (1) angeordnet sind.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis der Strömungswege in den Diffusorkanälen (10) im radialen Bereich (R) zu den Strömungswegen in den Diffusorkanälen (10) im axialen Bereich (A) zwischen 1:1 und 4:1 beträgt, insbesondere 3:1.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung des Diffusorkanals (10) im Bereich des Diffusoraustritts einen Neigungswinkel von bis zu 30° in Richtung der Drehachse (D) des Radialverdichters (2) aufweist.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Diffusor (1) austretendes Gas gezielt in Richtung einer Brennkammer (104) und / oder einer Kraftstoffdüse (31) der Turbomaschine (100) geleitet wird.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittswinkel (α) der Diffusorwände (12) der Diffusorkanäle (10), insbesondere an Diffusorvollkeilen (11) zwischen 15° und 30°, insbesondere zwischen 18° und 25°, ganz insbesondere 21° betragen, wobei der Eintrittswinkel (α) von einer Tangente (T) des Laufrades (3) gemessen wird.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel (β) der Keilschaufeln (11) am inneren Umfang des Diffusors (1) zwischen 4° und 15° betragen.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorkanäle (10) einen Bereich aufweisen, bei dem eine stromab der Strömungsrichtung liegende Querschnittsfläche (21, 22, 23) senkrecht zur Strömungsrichtung größer ist als eine stromaufwärts liegende Querschnittsfläche (21, 22, 23).
Diffusor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vergrößerte Querschnittsflächen (23) der Diffusorkanäle (10) durch in Strömungsrichtung spitz auslaufende Bereiche der Keilschaufeln (11) im axialen Bereich (A) gebildet sind, wobei der Zuspitzungs-Winkel (γ) insbesondere zwischen 8° und 60° beträgt.
Diffusor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Querschnittsfläche (21, 22, 23) im radialen Eintrittsbereich der Diffusorkanäle (10) zu der Querschnittsfläche im axialen Austrittsbereich zwischen 1:1,2 und 1:4 liegt, insbesondere bei 1:2.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im gekrümmten Bereich (K) die Basisplatte (20) einen Krümmungsradius (Ri) zwischen 5% und 50%, insbesondere zwischen 10% und 40% der radialen Baulänge des Diffusors (1) aufweist.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im gekrümmten Bereich (K) Abdeckungen (24) der Diffusorkanäle (10) einen Krümmungsradius (Ra) von 5% bis 120%, insbesondere 5% bis 60% der radialen Baulänge des Diffusors (1) aufweist.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius (r) der Diffusorwände (12), insbesondere der Keilschaufeln (11) zwischen 30% und 200%, insbesondere zwischen 80% und 120% des Außendurchmessers des Diffusors (1) beträgt.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 15 bis 30, insbesondere 17 bis 25, ganz insbesondere zwanzig Keilschaufeln (11) in gleichmäßigen Winkelabstand verteilt auf der Basisplatte (20) angeordnet sind.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Keilschaufeln (11) Zwischenschaufeln (13) angeordnet sind.
Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abströmung in die Brennkammer in Umfangrichtung und in Laufrichtung des Radialverdichters unter einem Drallwinkel mehr als 0° und weniger als 40°, insbesondere unter einem Drallwinkel zwischen 10° und 30° erfolgt.
Radialverdichter mit einem Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18.
Turbomaschine, insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, mit einem Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18 oder einem Radialverdichter nach Anspruch 19.