DE2712770B2

DE2712770B2 - Strömungsdiffusor

Info

Publication number: DE2712770B2
Application number: DE2712770A
Authority: DE
Inventors: Richard Cryil Cranfield Bedford Adkins; James Oswald Bishopston Bristol Yost
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1976-03-24
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1981-05-07
Also published as: CH614494A5; IT1115510B; JPS5613170B2; GB1573926A; DE2712770C3; DE2712770A1; FR2345592B1; FR2345592A1; JPS52145608A; US4098073A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsdiffusor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Derartige Strömungsdiffusoren finden bekanntlich weitgehende Anwendung in Gasturbinentriebwerken.

Werden sie beispielsweise am Auslaß der Leistungsturbine von Gasgeneratoren-Gasturbinentriebwerken angeordnet, so wird dadurch das verarbeitbare Druckgefälle der Leistungsturbine und damit deren Leistung erhöht Insbesondere bei Anwendung von Gasturbinentriebwerken als Schiffsantriebe wird die verhältnismäßig große axiale Länge des. Diffusors als störend empfunden. Man würde infolgedessen gerne Diffusoren geringerer axialer Länge zur Anwendung bringen, doch ίο sind der Verkürzung der axialen Länge von Diffusoren insofern Grenzen gesetzt als bei Überschreitung eines bestimmten öffnungswinkels des Diffusors bei bestimmten Druck- und Strömungsverhältnissen an der Diffusorwandung Grenzschichtablösungen eintreten, die bekanntlich unerwünscht sind.

Durch die Erfindung soll infolgedessen die Aufgabe gelöst werden, den öffnungswinkel und damit die axiale Länge von Diffusoren der im Oberbegriff des Hauptanspruches dargelegten Art zu verbessern, ohne 2<t daß die erwähnten schädlichen Grenzschichtablösungen auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanrjjruchs unter Schutz gestellte Merkmalskombination gelöst

Die Erfindung bringt gegenüber Diffusoren der im Oberbegriff des Hauptanspruches dargelegten allgemeinen Bauart den technischen Fortschritt, daß ohne großen technischen Aufwand die axiale Länge solcher Diffusoren bei gleicher Leistung wesentlich herabgei(i setzt werden kann und somit eine erhebliche Raumersparnis von mit derartigen Diffusoren ausgerüsteten Gasturbinentriebwerken erzielbar ist.

Die Erfindung wird nunmehr in ihren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand einiger bevorzugter Ausführungsformen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen stellt dar

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine allgemeine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diffusors,

Fig.? einen schematischen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Diffusors,

Fig.3 einen schematischen Axialschnitt durch eine stationäre Gasturbinenanlage mit einem erfindungsgemäßen Diffusor, und

Fig.4 einen schematischen Axialhalbschnitt durch einen Teil einer Gasturbinenanlage anderer Bauart mit einem erfindungsgemäßen Diffusor.

Der in F i g. 1 gezeigte Diffusor ist im wesentlichen so symmetrisch um eine Achse A herum aufgebaut, welche die mittlere Strömungsrichtung der den Diffusor durchströmenden Strömung angibt. Der Diffusor weist einen ersten kegeligen Strömungskanal 10 auf, dessen Strömungsquerschnitt sich von seinem stromauf gelegenen Ende 11 zu seinem stromab gelegenen Ende 12 hin allmählich in einem Maße erweitert, daß einem Divergenzwert entspricht, bei welchem gerade noch keine Grenzschichtablösung auftritt. Stromab des Endes 12 des ersten Strömungskanals 10 befindet sich eine plötzliche Erweiterung des Strömungsquerschnitts quer zur Strömungsachse A. Diese Erweiterung erstreckt sich über einen Axialbereich 13 dieser Strömungsachse und wird hauptsächlich durch ein Strömungswehr 14 gebildet, welches stromab des Endes 12 des ersten Strömungskanals 10 angeordnet ist und dessen Wehrkante 14/4 auf einem Strömungsumriss liegt, der zwischen dem Ende 12 des ersten Strömungskanals 10 und dem mit der Bezugsziffer 15 bezeichneten Anfang

eines zweiten kegeligen Strömungskanals 16 liegt. Zwischen dem stromabseiiigen Ende 12 aes ersten Strömungskanals 10 und der Wehrkante 14A befindet sich eine Öffnung 17, welche in eine Kamn.er 18 mündet Die diese Öffnung 17 durchströmende Strömung aus dem ersten Strömungskanal 10 heraus verursacht in der Kammer 18 die Bildung eines normalerweise ringförmigen Wirbels 19.

Unmittelbar stromab des Strömungswehrs 14, d. h. in der Ecke zwischen dem Strömungswehr und dem Anfang 15 des zweiten Strömungskanals 16 verursacht die aus dem ersten Strömungskanal 10 in den zweiten Strömungskanal 16 übertretende Strömung die Bildung eines zweiten Ringwirbels 20. Die beiden Wirbel 19 und 20 wirken im Bereich 13 des Diffusors so zusammen, daß trotz eines weiten Öffnungswinkels des Diffusors die Strömung an der Wandung des Diffusors 16 haften bleibt, wie dies bei 21 angedeutet ist. Der Divergenzwert des zweiten Strömungskanals 16 kann ü'-er zumindestens einen begrenzten stromabseitigen Bereich desselben hinweg wesentlich größer sein als der Divergenzwert des ersten Strömungskanals 10.

Beträgt beispielsweise der Kegelwinkel α des ersten Strömungskanals 10 etwa 10°, so kann in diesem ersten Strömungskanal noch keine Grenzschichtablösung stattfinden. Andererseits ist der Kegelwinkel β des zweiten Strömungskanals 16 größer als 15° und dieser Wert liegt bereits über demjenigen Wert, bei welchem normalerweise eine Grenzschichtablösung stattfindet Wegen der besonderen Ausbildung des Bereichs 13 des Diffusors kann im zweiten Strömungskanal 16 tatsächlich keine Grenzschichtablösung eintreten und der gesamte Diffusionswert der von den beiden Strömungskanälen 10 und 16 und dem Diffusorbereich 13 gebildeten Anordnung ist tatsächlich so groß, als habe die Diffusion in einem Strömungskanal mit einem Kegelwinkel von wesentlich mehr als 15° ohne Grenzschichtablösung stattgefunden.

Um eine gute Stabilität des sich in der Kammer 18 bildenden Wirbels 19 zu erzielen, muß von der Kammer 18 etwas Strömung abgezogen werden. Zu diesem Zweck ist die Kammer 18 über einen Kanal 21 mit dem stromaufseitigen Ende des ersten Strömungskanals 10 verbunden, wo dieser Zweigkanal 21 in einer den ersten Strömungskanal 10 durchsetzenden Querrippe 22 in der Mitte des Strömungskanals 10 in einer stromabseitigen Auslaßöffnung 24 ausmündet. Da es sich bei dem ersten Strömungskanal 10 um einen divergenten Strömungskanal handelt, ist voraussetzungsgemäß der am stromaufseitigen Ende 11 des ersten Strömungskanals 10 herrschende statische Druck niedriger als der am stromabseitigen Ende 12 dieses ersten Strömungskanals herrschende statische Druck. Dadurch wird die Strömung durch den Zweigkanal 21 hindurch zum stromauf gelegenen Ende 11 des ersten Strömungskanals 10 iiin aufrechterhalten.

Ist der im Diffusorbereich 13 herrschende Druck höher als Atmosphärendruck, so kann die Zweigleitung aus der Kammer 18 heraus auch in die freie Atmosphäre geführt werden.

Die in F i g. 2 gezeigte Ausführungsform eines Diffusors ähnelt im wesentlichen der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform, mit dem einzigen Unterschied, daß der in F i g. 2 gezeigte Diffusor ein Ringkanaldiffusor ist.

Der Ringkanal 100 des in F i g. 2 gezeigten Diffusors beginnt mit einem durch parallele Kanalwandungsabschnitte begrenzten Kanalabschnitt 101, auf welchen in Strömungsrichtung ein sich erweiternder Kanalab

schnitt 110 folgt, dessen stromabseitiges Ende mit der Bezugsziffer 112 bezeichnet ist Daran schließt sich in Stromabrichtung aus konstruktiven Gründen wieder ein kurzer, durch parallele Kanalwandungen begrenzter Strömungskanalabschnitt 110/4 an, worauf sich in einem Bereich 113 eine plötzliche Querschnittserweiterung des Strömungskanals anschließt, die im wesentlichen einerseits durch eine stromabseitige Axiallippe 112Λ und andererseits durch ein radiales Strömungswehr 114 begrenzt wird, welches stromab der Axiallippenkante 112/4 angeordnet ist und dessen Wehrkante 114/4 zusammen mit der Axiallippenkante 112Λ einen Ringspalt 117 begrenzt Die Wehrkante 114y4 befindet sich auf einem Strömungsumriss, der zwischen der Axiallippenkante 112Λ und dem mit der Bezugsziffer HS bezeichneten Anfang eines zweiten Strömungskanals 116 liegt Der Ringspalt 117 führt in eine Ringkammer 118, die ihrerseits wiederum an einen Bereich angeschlossen ist, in welchem ein niedrigerer statischer Druck herrscht als er im Betrieb des Diffusors an der Axiallippe 112 und insbesondere an deren Lippenkante 112/4 herrscht Die Divergenz des zweiten Strömungskanals 116 ist selbstverständlich wesentlich größer als diejenige des ersten Strömungskanals 110.

Was den Diffusionsgrad der den Strömungskanal 100 durchströmenden Strömung anbelangt, so ist zunächst darauf hinzuweisen, daß die Diffusionsgrade ringförmiger Strömungskanäle in Werten ausgedrückt werden, die jeweils äquivnleni wirkenden kegeligen Diffusoren zukommen. Man spricht in diesem Fall von einem »äquivalenten Kegelwinkel«.

Der »äquivalente Kegelwinkel« des durch parallele Kanalwandungen begrenzten Abschnittes 101 des ersten Strömungskanals ist selbstverständlich gleich Null. Dieser Kanalabschnitt dient lediglich als Einlaß in den eigentlichen Diffusor.

Der Kanalabschnitt 110 hat einen »sicheren« Diffusionsgrad, d. h. einen Diffusionsgrad, der gerade noch unterhalb des Wertes liegt, bei welchem normalerweise Grenzschichtablösungen auftreten. Versuche mit der in F i g. 2 gezeigten Diffusorkonstruktion haben gezeigt, daß der äquivalente Sicherheitskegelwinkel des Kanalabschnittes 110 mit 10,1° zu bewerten ist. Infolge der beim Betrieb des Diffusors in der Kammer 118 und am Anfang 115 des zweiten Strömungskanals 116 gebildeten Strömungswirbel gestaltete sich der Strömungsmechanismus im Bereich 113 so, daß man den äquivalenten Kegelwinkel des zweiten Strömungskanals 116 auf 15,5° beziffern konnte und dieser Winkel liegt wesentlich über dem Winkel, bei welchem sonst normalerweise schon Grenzschichtablösungen eintreten. Der gesamte äquivalente Kegelwinkel des Diffusors vom stromaufseitigen Ende 111 des ersten Strömungskanals 110 zum stromabseitigen Ende 122 des zweiten Strömungskanals 116 belief sich auf 20,1°. Dieser Wert stellt nahezu das Doppelte des äquivalenten Sicherheitswinkels von 10,1° des ersten Strömungskanals 110 dar und ergibt folglich eine wesentlich kürzere Gesamtlänge des Diffusors.

Normalerweise reicht es aus, die allgemeine Diffusorkonstruktion durch die relativen Diffusionswerte der beiden Strömungskanäle 110 und 116 auszudrücken. Diese Beziehung beruht ihrerseits auf der Wirksamkeit des im Diffusorbereich 113 wirksamen Strömungsmechanismus, der seinerseits wiederum durch die Geometrie dieses Diffusorbereiches und durch den am Ringspalt 117 auftretenden Druckabfall bestimmt ist. Die jeweils günstigste Geometrie dieses Diffusorberei-

ches wird im einzelnen experimentell bestimmt, doch genügt es für das konstruktive Konzept, diese jeweils durch die äquivalenten Kegelwinkel entweder für den Bereich 113 als Ganzes oder für die Zwischenbereiche 1134, 112 und 114Λ zu bestimmen. Für das in Fig. 2 gezeigte Beispiel beträgt dieser äquivalente Kegelwinkel im Bereich 113/4 ziemlich genau 33,6°.

F i g. 3 zeigt einen solchen Diffusor innerhalb des Abgasstutzens einer stationären Gasturbinenanlage. Das Generatortriebwerk 200 treibt eine Leistungsturbine 201, die ihre mechanische Leistung über eine Abtriebswelle 204 abgibt. Die Abgase strömen durch einen Diffusor 203, der von einem ersten kegeligen Strömungskanal 216 gebildet wird, zwischen welchen sich eine Ringkammer 218 mit einem Strömungswehr 214 befindet, wobei alle diese letztgenannten Teile im wesentlichen in der Form ausgebildet sind, wie sie in Verbindung mit F" i g. 1 im einzelnen beschrieben wurde. Der Diffusor 203 liefert in einen Abgaskanal 205, der seitlich der Turbinenwelle 204 weggeführt ist.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Anordnung befindet sich der Diffusor am Ausschubende des Verdichters eines Gasturbinentriebwerks. Der Ausschubkanal 301 des als Axialverdichter ausgebildeten Verdichters mündet in einen Diffusor 303, welcher von einem ersten Ring-Strömungskanal 310 und einem zweiten Ring-Strömungskanal 316 gebildet wird, welch letzterer in einen Luftmantelraum 302 mündet, welcher eine ringförmige Brennkammer 304 umgibt. Zwischen den beiden ringförmigen Strömungskanälen des Diffusors befinden sich radial innere und äußere Kammern 318 und 318/4 und radial verlaufende Strömungswehre 314 bzw. 314/4. Die Anordnung gleicht im wesentlichen in ihren

: Einzelheiten der in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Anordnung mit der einzigen Ausnahme, daß bei der Anordnung nach Fig.4 außer der radial äußeren Kammer 318 auch noch eine radial innere Kammer 318/4 vorgesehen ist. Der zweite Ringkanal 316 endigt in

i¹· einem sogenannten »Dämpfungsdiffusor«, der durch einen Freiraum gebildet wird, welch letzterer sich um das stromabseitige Ende des zweiten Strömungskanals 316 herum erstreckt.

Bei beiden Ausführungsformen gemäß den F i g. 3 und

u 4 kann die aus der Wirbelkammer 218 bzw. 318 abgezapfte Luft zum stromauf gelegenen Ende des ersten Strömungskanals 210 bzw. 310 geleitet werden, wie dies bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 im Prinzip dargestellt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Strömungsdiffusor mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten, sich in Strömungsrichtung erweiternden Strömungskanälen, deren stromauf gelegener (erster Strömungskanal) einen Divergenzwert hat, der unter dem Wert liegt, bei welchem Grenzschichtablösung eintritt, und deren anderer (zweiter Strömungskanal) an seinem stromauf gelegenen Ende einen wesentlich größeren Strömungsumriß hat als der Strömungsumriß am stromab gelegenen Ende des ersten Strömungskanals ist, so daß zwischen den beiden Strömungskanälen eine plötzliche Erweiterung des Strömungsquerschnitts vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese plötzliche Erweiterung des Strcimungsquerschnitts durch ein stromab des stiomab gelegenen Endes (i2; 113) des ersten Strömungskanals (10; 100) angeordnetes radiales Strömungswehr (14; 114) gebildet ist, dessen Welirsohle das stromauf gelegene Ende (15; 115) des zweiten Strömungskanals (16; 116) bildet und dessen Wehrkante (14/4, H4A) auf einem zwischen den Strömungsumrissen der aneinander angrenzenden Enden (12,15; 113,115) der beiden Strömungsksnäle gelegenen mittleren Strömungsumriss liegt, daß ferner an der radial äußeren Seite des stromab gelegenen Endes des ersten Strömungskanals eine Kammer (18; 118) gebildet und zwischen dem stromabseitigen Ende des ersten Strömungskanals und der Wehrkante eine in diese Kammer mündende öffnung (17; 117) angeordnet ist, daß weiter Vorkehrungen zur Herabsetzung des in der Kammer herrschenden statischen Druckes unter den Wert des am stromab gelegenen Ende des ersten Strömungskanals herrschenden Druckes und zur Unterstützung einer Wirbelbildung (19) in der Kammer getroffen sind, und daß endlich der Divergenzwert (/?) des zweiten Strömungskanals größer als der Divergeiizwert ist, bei welchem normalerweise eine Grenzschichtablösung eintritt

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18; 118) an einer Stelle des ersten Strömungskanals (10; 100) an diesen angeschlossen ist, an welcher der in diesem herrschende statische Druck niedrig genug ist, um die Wirbelbildung (19) in der Kammer unterstützen zu können.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungskanal der Abgaskanal (210) der Leistungsturbine (201) einer Gasgenerator-Gasturbinenanlage ist (F i g. 3).

4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strömungskanal desselben der ringförmige Ausstoßkanal (310) des Axialverdichters (301) eines Gasturbinentriebwerks ist und daß der zweite Strömungskanal (316) des Diffusors einen Auslaß aufweist, der in einen die Brennkammer (304) des Gasturbinentriebwerks umgebenden Luftmantelraum (302) mündet (F i g. 4).