DE1053714B

DE1053714B - Diffuser for supersonic centrifugal compressor

Info

Publication number: DE1053714B
Application number: DEG18158A
Authority: DE
Inventors: Frederick Dallenbach; Nguyen Van Le; Eugen Maximilian Knoernschild; Pacific Palisades; Hans Peter Eichenberger
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1954-10-18
Filing date: 1955-10-13
Publication date: 1959-03-26

Description

Leitapparat für Uberschall-Radialverdichter Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitapparat für Überschall-Radii:alverdchter und insbesondere auf eine Beschaufelwng eines solchen Leitapparats, die das Auftreten von Verdichtungsstoßwellen beim Übergang von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit verhindert und damit einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Bei den in der üblichen Weise heschaufelten Leitapparaten treten hei Überschallströmung Stoßwellen auf, die die Strömung in einem Ausmaß zum Abreißen bringen, daß der Wirkungsgrad des Leitapparats stark herabgesetzt wird.Diffuser for supersonic centrifugal compressor The invention relates on a guide apparatus for supersonic radii: alverdchter and in particular on a blading of such a diffuser that prevents the occurrence of shock waves prevented during the transition from supersonic to subsonic speed and thus enables a high degree of efficiency. With those shoveled in the usual way Diffusers occur in supersonic flow shock waves, which the flow in to tear off to such an extent that the efficiency of the nozzle is greatly reduced will.

Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei welcher die verlustbehafteten Verdichtungsstöße in beschaufelten Diff:usoren von Überschall-Radialverdichtern dadurch vermieden. werden, daß zwischen dem Laufradumfang und den Eintrittskanten der Diffusorbeschaufelung ein besonders geformter schaufellos,-,r Ringraum vorgesehen ist, in dem das mit Überschallgeschwindigkeit aus dem Laufrad austretende Strömungsmittel so verzögert wird, daß es mit Unterschallgeschwindigkeit auf die Beschaufelung des Diffusors auftrifft, in welchem es unter weiterer Druckzunahme in üblicher Weise verzögert wird.An arrangement is already known in which the lossy Compression shocks in bladed diff: usors of supersonic centrifugal compressors thereby avoided. that between the impeller circumference and the leading edges the diffuser blading is provided with a specially shaped blade-less, -, r annular space in which the fluid exiting the impeller at supersonic speed is delayed so that it hits the blading of the Diffuser hits, in which there is a further increase in pressure in the usual way is delayed.

Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Leitapparat, bei welchem die Eintrittskanten der Leitschaufeln in an sich bekannter Weise dem Verlauf der Strömung über der Schaufelbreite angeglichen, und zwar entsprechend dem Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad gebogen oder geneigt ausgeführt sind.The invention is an improved diffuser in which the leading edges of the guide vanes in a known manner the course of the Flow adjusted across the blade width according to the course the exit speed from the impeller are curved or inclined.

Durch diese Anordnung wird eine Diffusion der Grenzschichtströmung in größerer Nähe .des Laufrades erzielt, als es bei der vorerwähnten bekannten Anordnung möglich ist.This arrangement results in a diffusion of the boundary layer flow in greater proximity .des impeller achieved than in the aforementioned known arrangement is possible.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig.1 eine Teilansicht eines Axialschnitts durch einen Radialverdichter mit Leitapparat, ferner den Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Verdichterlaufrad, Fig.2 eine Teilansicht im Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig.3 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsfortn der Erfindung.In the following, the invention is combined using an exemplary embodiment described in more detail with the drawing. 1 shows a partial view of an axial section by a centrifugal compressor with a diffuser, as well as the progression of the outlet velocity from the compressor impeller, FIG. 2 a partial view in section along the line 2-2 1 and 3 show a schematic representation of a modified embodiment of the invention, FIG. 4 is a schematic representation of a further embodiment the invention.

Gemäß der Erfindung fördert das Laufrad eines Radialverdicliters Luft mit Überschallgeschwindigkeit in einen Leitapparat, wobei die Leitschaufeln im Abstand vom Laufrad angeordnet sind, so daß eine gewisse Diffusion zwischen dem Laufrad und den Leitschaufeln eintritt. Die Leitschaufeln sind finit einer Vorderkante versehen, die in an sich bekannter Weise ein Profil hat, welches im wesentlichen dem Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad entspricht. Eine derartige Anordnung ergibt eine im wesentlichen schaufellose Strömungsdiffusion entsprechend dem Verlauf der Überschall-Strömungsgeschwindigkeit sowie eine wirksame beschaufelte Diffusion der verbleibenden Strömung bei niedrigeren Geschwindigkeiten.According to the invention, the impeller of a radial compressor promotes air at supersonic speed into a diffuser, with the guide vanes spaced are arranged by the impeller, so that some diffusion between the impeller and the guide vanes enters. The guide vanes are finitely provided with a leading edge, which in a manner known per se has a profile which essentially corresponds to the course corresponds to the exit speed from the impeller. Such an arrangement results in an essentially blade-free flow diffusion according to the course the supersonic flow rate as well as effective bladed diffusion the remaining flow at lower speeds.

Fig. 1 zeigt ein Laufrad 10 mit Schaufeln 11, welche benachbart einer Gehäusewand 12 laufen und mit einer umlaufenden INTabenscheibe 13 aus einem Stück bestehen. Die Schaufeln 11 sind mit Enden 14 versehen, von welchen Luft in einen Leitkanal 15 al)-strömt, .der durch Wandungen 16 und 17 begrenzt ist. Die zwischen den Schaufeln des Laufrades 10 Hindurchströmende Luft, die den durch .die gestrichelte Linie 18 angegebenen Geschwindigkeitsverlauf haben kann, wird - teilweise mit Überschallgeschwindigkeit -- in den Leitkanal 15 gefördert. Die zwischen den Wandungen 16 und 17 befestigten Leitschaufeln 21 sind mit Vorderkanten 22 versehen, die ein im wesentlichen kurvenförmig ausgeschnittenes bzw. ausgespartes Profil haben, welches dem Geschwindigkeitsverlauf am Laufradaustritt, wie er durch die gestrichelte Linie 18 angedeutet ist, entspricht. Die Form dieser Linie 18 zeigt verhältnismäßig niedrige Geschwindigkeiten an den Wänden 12 und 13 und fortschreitend höher werdende Geschwindigkeiten mit zunehmendem Abstand von den Wänden. Diese niedrigeren Geschwindigkeiten werden durch die Grenzschichtströmung an den Wänden verursacht. Es sei angenommen, daß an der auf der Kanalmittellinie gelegenen Stelle 19 Überschallgeschwindigkeit herrscht, die an der Stelle 20 infolge der zunehmenden Diffusion im Kanal 15 zwischen den Wandungen 16 und 17 auf Schallgeschwindigkeit herabgesetzt ist. Bei weiterem Vordringen der Strömung bis zur Stelle 23 an der Vorderkante der Leitschaufel 21 ist die Strömung an der Mittellinie auf Unterschallgeschwindigkeit herabgesetzt. Ebenso werden die anderen Geschwindigkeiten, der verteilten Strömung ausreichend diffundiert, bevor das ausgeschnittene Profil der Vorderkante 22 erreicht wird, so daß sich auch hier Unterschallgeschwin.digkeiten einstellen. Da die Geschwindigkeiten an den Wänden 12 und 13 niedriger sind als diejenigen nahe der Mittellinie des Kanals 15, hat die das Laufrad 11 verlassende Ströinung neben den Wänden 12 und 13 einen anderen Winkel als die Strömung, welche das Laufrad mit hoher Geschwindigkeit in der Nähe der Mittellinie des Kanals 15 verläßt. Aus den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist ersichtlich, daß die durch den Pfeil A angezeigte Strömung neben den Wänden. eine niedrige Geschwindigkeit besitzt und das Laufrad unter einem kleinen Winkel zu einer an den Umfang desselben gezogenen Tangente verläßt. Die Pfeile B und C stellen die Gasströme dar, die gegen die Kanalmittellinie zu mit zunehmend höherer Geschwindigkeit und zunehmend größerem Winkel aus dem Laufrad. austreten. Wie aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, trifft der Gasstrahl, dessen Strömungsgeschwindigkeit am Laufradaustritt durch den Pfeil C gekennzeichnet ist, am Punkt 23 auf die Vorderkante 22 der Schaufel 21; für die Gasstrahlen B und A sind die entsprechenden Stellen die Punkte 23 b und 23 a. Der Winkel der mittleren KriimmungAinie der Schaufeln an einem Punkt 23 a entspricht also dem durch den Pfeil A angezeigten Winkel der Strömungsgeschwindigkeit. Der Winkel der mittleren Krümmungslinie der Schaufeln an einem Punkt 23b entspricht dem Winkel der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie durch den Pfeil B z -tn, gezeigt 1-1 wird, während der Winkel der mittleren Krümmungslinie der Schaufeln an einem Punkt 23 dem Winkel der Strömungsgeschwindigkeit, wie sie durch den Pfeil C angezeigt wird, entspricht. Obwohl die Pfeile A, B und C so dargestellt sind, daß sich ihr Ausgangspunkt am Umfang des Laufrades so befindet, verändern sich die Winkel zwischen diesen Pfeilen und einer beispielsweise radialen Linie bis zu den Punkten am Eintritt der Leitschaufeln nicht wesentlich.Fig. 1 shows an impeller 10 with blades 11, which run adjacent to a housing wall 12 and are made of one piece with a rotating INT hub disk 13. The blades 11 are provided with ends 14, from which air flows into a guide channel 15 a1), which is delimited by walls 16 and 17. The air flowing through between the blades of the impeller 10, which can have the speed curve indicated by the dashed line 18, is conveyed into the guide channel 15 - partly at supersonic speed. The guide vanes 21 fastened between the walls 16 and 17 are provided with front edges 22 which have an essentially curved cut or recessed profile which corresponds to the speed profile at the impeller outlet, as indicated by the dashed line 18. The shape of this line 18 shows relatively low velocities on the walls 12 and 13 and progressively increasing velocities with increasing distance from the walls. These lower velocities are caused by the boundary layer flow on the walls. It is assumed that at the point 19 located on the channel center line there is supersonic speed, which is reduced to the speed of sound at the point 20 as a result of the increasing diffusion in the channel 15 between the walls 16 and 17. As the flow advances further to point 23 on the leading edge of the guide vane 21, the flow at the center line is reduced to subsonic speed. Likewise, the other velocities of the distributed flow are sufficiently diffused before the cut profile of the leading edge 22 is reached, so that subsonic velocities also arise here. Since the velocities at the walls 12 and 13 are lower than those near the center line of the channel 15, the flow leaving the impeller 11 next to the walls 12 and 13 has a different angle than the flow which the impeller at high speed near the Center line of the channel 15 leaves. From Figs. 1 and 2 of the drawing it can be seen that the flow indicated by the arrow A next to the walls. has a low speed and leaves the impeller at a small angle to a tangent drawn on the circumference of the same. The arrows B and C represent the gas flows, which move against the channel center line at an increasingly higher speed and at an increasingly larger angle from the impeller. step out. As can be seen from FIG. 1 of the drawing, the gas jet, the flow rate of which is indicated by arrow C at the impeller outlet, hits the leading edge 22 of the blade 21 at point 23; for the gas jets B and A, the corresponding points are points 23 b and 23 a. The angle of the mean curve line of the blades at a point 23 a thus corresponds to the angle of the flow velocity indicated by the arrow A. The angle of the mean line of curvature of the blades at point 23b corresponds to the angle of the flow velocity as shown by arrow B z -tn, 1-1, while the angle of the mean line of curvature of the blades at point 23 corresponds to the angle of the flow velocity, as indicated by arrow C corresponds. Although the arrows A, B and C are shown in such a way that their starting point is at the circumference of the impeller, the angles between these arrows and a, for example, radial line up to the points at the inlet of the guide vanes do not change significantly.

Verschiedene Konstruktionsverhältnisse bedingen natürlich eine sehr verschiedenartige Formgebung der Vorderkanten der Leitschaufeln., um dem Verlauf der Strömungsgeschwindigkeiten und deren Winkeln zu entsprechen. Diese Anordnung bringt alle Vorteile der schaufellosen Diffusion für eine Strömung mit Überschallgeschwindigkeit mit sich und macht sich für die Unterschallströmung im Grenzschichtbereich die beschaufelte Diffusion zunutze, so daß sich ein Leitapparat von sehr hohem Wirkungsgrad bei Überschall-und Unterschallströmung ergibt. Verdichtungsstoßwellen S, wie sie bei .den beschaufelten Leitapparaten üblicher Bauart vorkommen können, treten bei dem erfindungsgemäßen Leitapparat nicht auf.Of course, different construction conditions require a lot various shapes of the leading edges of the guide vanes. to the course to correspond to the flow velocities and their angles. This arrangement brings all the advantages of vaneless diffusion for a flow with supersonic speed with itself and makes up for the subsonic flow in the boundary layer area the bladed Use diffusion, so that a diffuser of very high efficiency at supersonic and Subsonic flow results. Compression shock waves S, as bladed at .den Diffusers of conventional design can occur in the case of the invention Guide apparatus not open.

Bei der in Fig.3 schematisch dargestellten Ausführungsform der Erfindung stellt die gestrichelte Linie 25 den Verlauf der Austrittsgeschwindigkeit aus dem Laufrad 24, bei welchem die Strömungsgeschwindigkeit auf der Kanalmittellinie nicht am höchsten ist. Einem solchen Laufrad mit schräger Verteilung .der Strömungsgeschwindigkeiten werden Leitschaufeln 26 mit derart schräger Vorderkante 27 zugeordnet, daß diese denn Verlauf der vom Laufrad erzeugten Strömungsgeschwindigkeit angeglichen sind.In the embodiment of the invention shown schematically in FIG the dashed line 25 represents the course of the exit velocity from the Impeller 24 in which the flow velocity on the channel center line is not is highest. Such an impeller with an inclined distribution of the flow velocities guide vanes 26 are assigned with such an inclined leading edge 27 that these because the course of the flow velocity generated by the impeller are matched.

Aus Fig. 4 der Zeichnung ist ersichtlich, daß ein Laufrad 28 mit einem Leitapparat versehen ist, dessen Schaufeln 29 auf ihrer ganzen Länge in der Mitte zwischen den Wänden des Leitkanals völlig ausgeschnitten sind. Die Leitschaufeln 29 werden dazu verwendet, die Strömung neben den Wandungen des Strömungskanals zu diffundieren und zwischen diesen eine schaufellose Diffusion ermöglichen. Diese Schaufeln, 29 zwingen die Grenzschichtströmung dazu, mehr in der Richtung der Strömung mit höherer Geschwindigkeit, welche durch den in der Mitte ausgesparten Teil der Leitschaufeln 29 geht, zu strömen. Die Grenzschicht-Reibungsverluste an den. Diffusorwandungen werden hierdurch auf ein Mindestmaß herabgesetzt.From Fig. 4 of the drawing it can be seen that an impeller 28 with a Diffuser is provided, the blades 29 of which along their entire length in the middle are completely cut out between the walls of the duct. The guide vanes 29 are used to control the flow next to the walls of the flow channel diffuse and allow a vaneless diffusion between them. These Blades, 29 force the boundary layer flow to be more in the direction of the flow at a higher speed, which is caused by the part of the Guide vanes 29 are going to flow. The boundary layer friction losses at the. Diffuser walls are thereby reduced to a minimum.

Der Leitapparat gemäß der Erfindung kann für die Diffusion einer Strömung mit Überschallgeschwindigkeit bei hohen Machschen Zahlen von ganz besonderem Nutzen sein.The diffuser according to the invention can be used for the diffusion of a flow with supersonic speed with high Mach numbers of very special benefit be.

Das Prinzip des Leitapparats gemäß der Erfindung, das in Verbindung mit Verdichtern beschrieben wurde, kann natürlich auch zur Diffusion einer durch andere Vorrichtungen erzeugten Strömung zwischen dem Überschall- und dem Unterschallbereich angewendet werden.The principle of the diffuser according to the invention, which in connection with compressors was described, can of course also be used for diffusion through other devices created flow between the supersonic and subsonic regions be applied.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Guide apparatus for supersonic radial compressors, in which a bladed part is preceded by a bladed part in which the fluid emerging from the impeller at supersonic speed is decelerated to about the speed of sound, characterized in that the leading edges of the guide vanes in a manner known per se matched to the course of the flow across the blade width, namely curved or inclined according to the course of the exit speed from the impeller.

2. diffuser according to claim 1, characterized in that guide vanes are attached only to: the side walls, while the middle of the channel width is not bladed. Considered publications: German Patent No. 724553; British Patent No. 636 290.