DE3103595A1

DE3103595A1 - Diffusor einer fliehkraft-fluidmaschine

Info

Publication number: DE3103595A1
Application number: DE19813103595
Authority: DE
Inventors: Hiromi Ibaraki Kobayashi; Hideo Ibaraki Nishida; Yoshihiro Takada; Shinjiro Kashiwa Ueda; Yoichi Yoshinaga
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-02-08
Filing date: 1981-02-03
Publication date: 1982-01-28
Also published as: US4421457A; IT1143361B; DE3103595C2; IT8167156A0; JPS6230320B2; JPS56113097A; CH651357A5

Description

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HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan

Diffusor einer Fliehkraft-Fluidmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Diffusoren von Fliehkraft-Fluidmaschinen, insbesondere eines Fliehkraftverdichters, der innerhalb eines weiten Arbeitsbereichs betrieben werden kann und mit erhöhtem Wirkungsgrad arbeitet.

Ein schaufelfreier Diffusor, der in einem bekannten
Fliehkraft-Verdichter eingesetzt wird, umfaßt zwei Diffusorscheiben, die zwischen sich einen Fluidkanal bilden. Die Geschwindigkeitsenergie eines aus dem Laufrad austretenden Hochgeschwindigkeits-Fluidstroms wird am Diffusor
in Druckenergie umgewandelt gespeichert und aus dem Auslaß abgegeben, nachdem eine kontinuierliche Druckrückgewinnung in dem den Diffusorscheiben nachgeschalteten
Spiralgehäuse erfolgt ist. Insbesondere bei einem Laufrad mit hoher spezifischer Geschwindigkeit, das mit einem mit großem Durchsatz strömenden Fluid arbeitet, tendieren

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der Strömungswinkel Qi- ^un& die Radialkomponente Cp der absoluten Geschwindigkeit des Fluids am Laufradauslaß im allgemeinen dazu, eine stark ungleichmäßige Verteilung zwischen Haube und Nabe (vgl. die Fig. 1 und 2) zu zeigen, und zwar aufgrund der relativ großen Breite des Laufradauslasses. Eine Ungleichmäßigkeit in der Fluidströmung am Einlauf des Diffusors hat eine erhebliche Leistungsminderung des Diffusors zur Folge, wie in Fig. 3 zu sehen ist, die Versuchsergebnisse mit einem zweidimensionalen Diffusor zeigt; dabei ist C das Rückgewinnungsverhältnis des statischen Drucks zum dynamischen Druck am Diffusoreinlauf, und B~ eine Größe (1 - das Verhältnis der wirksamen Querschnittsfläche des Fluidkanals zur geometrischen Querschnittsfläche des Fluidkanals). Der Index ref bezeichnet einen Bezugswert. Die gleichen Ergebnisse wie in Fig. 3 konnten in Versuchen mit einem Radialdiffusor, der in einer Fiiehkraft-Fluidmaschine verwendet wurde, erhalten werden.

Wie vorstehend gesagt, tritt bei dem Diffusor eines bekannten Fliehkraftverdichters eine Ungleichmäßigkeit in der Fluidströmung unmittelbar nach dem Fluidaustritt aus dem Laufrad aus, wodurch eine erhebliche Leistungsminderung verursacht wird. Zur Beseitigung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen (vgl. US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 171 268 vom 22. Juli 1980), an wenigstens einer Diffusorscheibe am Einlaufteil des Diffusors eine Mehrzahl Strömungsleitschaufeln in Form einer kreisförmigen Kaskade vorzusehen, wobei die Höhe jeder Leitschaufel nicht mehr als die halbe Breite des Fluidkanals beträgt.

Dieser Vorschlag ist insoweit wirksam, als die aus dem Laufrad austretende Fluidströmung am Diffusoreinlauf vergleichmäßigt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß

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die vorgeschlagenen Strömungsleitschaufeln im Hinblick auf die Vermeidung des Auftretens einer Sekundärströmung im unteren Abschnitt des schaufelfreien Diffusors nicht wirksam sind. Denn innerhalb einer Strömung eines viskosen Fluids wird, auch wenn dieses gleichmäßig in den Einlaufteil des Diffusors einströmt, im stromabwärts befindlichen Diffusorauslaufteil eine Sekundärströmung auftreten infolge der Anwesenheit der Grenzschicht, die nach ihrer Bildung im Einlaufteil sich im Auslaufteil entwickelt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Diffusors für eine Fliehkraft-Fluidmaschine, der den Primärstrom im Einlaufteil des schaufelfreien Diffusors vergleichmäßigt und das Auftreten einer Sekundärströmung, die infolge einer nahe derjenigen Diffusorwand, auf die die Primärfluidströmung auftrifft, gebildeten Grenzschicht erzeugt werden könnte, verhindert. Dabei soll die Vergleichmäßigung der Strömung mit gesteigertem Wirkungsgrad erfolgen, und der Verdichtungsstoß-Bereich des Fliehkraftverdichters soll auf die Seite des niedrigeren Durchsatzes verschoben werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei dem Diffusor nach der Erfindung eine Mehrzahl Leitschaufeln an wenigstens einer der Diffusorscheiben des schaufelfreien Diffusors in dessen Einlaufteil oder unmittelbar nach dem Auslaß des Laufrads vorgesehen; die Höhe jeder Leitschaufel ist kleiner als die halbe Breite des im Diffusor gebildeten Fluidkanals, so daß das Fluid mit einem kleinen Strömungswinkel geführt und dadurch die Gesamtfluidströmung im wesentlichen vergleichmäßigt wird.

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Bei einer alternativen Ausführungsform des Diffusors sind anstelle der Leitschaufeln Führungsnuten gebildet. Die Höhe der Leitschaufeln und die Tiefe der Führungsnuten nimmt vom Einlauf des Diffusors zum Auslauf des Diffusors hin stetig ab.

Der Grund für die Bemessung der Leitschaufeln derart, daß ihre Höhe kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals des Diffusors ist, liegt darin, daß entsprechend Fig. 2 im wesentlichen keine Beeinflussung des Primärstroms im zentralen Teil des Diffusors zwischen der Nabe und der Haube erfolgt. Der Grund für die stetige Höhenabnahme der Leitschaufeln vom Diffusoreinlauf zum Diffusorauslauf liegt darin, daß nach der Vergleichmäßigung der Primärströmung ein Sekundarstromungsverlust vermieden werden kann, indem durch die vorgeschlagene Anordnung die Fluidreibungsverluste kleingehalten werden.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht die die Fluidströmung am Auslaß des Laufrads eines Fliehkraftverdichters nach dem Stand der Technik erläutert;

Fig. 2 eine Grafik, die die Fluidströmungsverteilung am Auslaß des Laufrads eines bekannten Fliehkraftverdichters zeigt;

Fig. 3 eine Grafik, die die Einflüsse der ungleichen Einlaufgeschwindigkeitsverteilung auf die Leistung eines zweidimensionalen Diffusors als Versuchsergebnisse wiedergibt;

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Fliehkraftfluidmaschine (Fliehkraftverdichter) nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Vorderansicht der Leitschaufeln nach Fig. 4;

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch wesentliche

Teile eines weiteren Ausführungsbeispiels des Fliehkraftverdichters;

Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch wesentliche Teile eines dritten Ausführungsbeispiels des Fliehkraftverdichters; und

Fig. 8 eine Vorderansicht des Diffusors, wobei die Form der Leitschaufeln (Leitnuten) gezeigt ist.

Nach Fig. 4· werden bei dem Fliehkraftverdichter ein Laufrad 4 mit Schaufeln 1, einem Mantel 2 und einer Nabe 3 von einer Welle 5 getrieben. Ein Gas wird in den Fliehkraf tverdichter durch einen Saugkanal 6 eingeleitet und durch das Laufrad k in einem Hochgeschwindigkeitsstrom

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umgewandelt, bevor es zu einem Diffusor 7 geleitet wird. Der Diffusor 7 umfaßt zwei gegenüberliegende Diffusorscheiben 7 und 9, die zwischen sich einen Strömungskanal begrenzen, der mit einem Spiralgehäuse 10 in Strömungsverbindung steht. An der Diffusorscheibe 9 auf der Seite des Mantels 2 sind mehrere Leitschaufeln 11 vorgesehen und entsprechend Fig. 5 auf dem Umfang der Diffusorscheibe 9 angeordnet. Die Leitschaufeln 11 sind, auf der Basis des Konstruktions-Strömungswinkels (einem Mittelwert von 0C~ gemäß Fig. 2 in Breitenrichtung des Diffusors), wie folgt geformt.

Oede Leitschaufel 11 hat einen Einlaufwinkel ß,, der gleich oder kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel (ein Mittelwert von OC-, gemäß Fig. 2 in Breitenrichtung des Diffusors) ist, und einen Auslaufwinkel ß. , der im wesentlichen gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel ist, Der Einlauf- und der Auslaufwinkel der Leitschaufeln 11 wird aus folgenden Gründen in dieser Weise ausgelegt. Im Einlaufteil des Diffusors 7 ist der Strömungswinkel 0<_? in einem Abschnitt des Strömungskanals nahe der Haube oder der Nabe jederzeit kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel (vgl. Fig. 2). Somit wird der vorgenannte Wert gewählt, um den Einlauf winkel ß~ der Leitschaufeln 11 dem tatsächlichen Strömungswinkel auf einem Durchschnittswert anzunähern, um Verluste dadurch zu minimieren. Bezüglich des Auslaufwinkeis ß. wird der angegebene Wert gewählt, damit der Zwischenteil und der Auslaufteil der Leitschaufeln 11 einer idealen Strömung im Diffusor (einer Strömung längs einer logarithmischen Spirale oder einer Konstantströmung mit einem Strömungswinkel gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel) angenähert werden. Jede Leitschaufeln 11 ist im Zwischenteil als Parabelbogen oder andere Kurve ausgebildet, so

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daß der Winkel gleichmäßig von ß~ nach ß. übergeht. Die Höhe jeder Leitschaufel 11 ist geringer als die halbe Breite des zwischen den Diffusorscheiben 8 und 9 definierten Fluidkanals. Die Höhe der Leitschaufeln 11 ist maximal am Einlauf des Diffusors 7 und nimmt vom Einlauf zum Auslauf des Diffusors hin stetig ab, bis sie Null oder das 0,25-0,5fache der Höhe am Einlauf des Diffusors 7 beträgt.

Die Leitschaufeln 11 sollen die ungleichmäßige Strömung am Auslaß des Laufrads 4- oder am Einlauf des Diffusors 7 im wesentlichen vergleichmäßigen, um dadurch den Wirkungsgrad des schaufelfreien Diffusors zu steigern und die Ausbildung einer Grenzschicht auf der stromabwärts liegenden Seite zu unterbinden, so daß ein Druckverlust, der sonst infolge der Erzeugung einer Sekundärströmung auftreten könnte, vermieden wird. Die stromabwärts erfolgende Abnahme der Höhe der Leitschaufeln soll die Fläche des mit dem Fluid in Kontakt befindlichen Fluidkanals vermindern, um einen sekundären Strömungsverlust auf der stromabwärts befindlichen Seite zu vermeiden, während gleichzeitig ein Fluidreibungsverlust kleingehalten wird, weil die Strömung auf der stromaufwärts befindlichen Seite positiv vergleichmäßigt wird.

Bisher wurde es als unerwünscht angesehen, Leitschaufeln etc. im Diffusor unmittelbar nach dem Einlaufabschnitt vorzusehen, und zwar wegen der Möglichkeit der Geräuschentwicklung. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Leitschaufeln nach der Erfindung nicht mit diesem Nachteil behaftet sind, sondern die Wirkung haben, die Fluidströmung gleichmäßig zu leiten, und zwar wahrscheinlich deshalb, weil die Leitschaufeln nicht über die Gesamtbreite des Diffusors vorgesehen sind.

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Nach der Erfindung hat das Anbringen der Leitschaufeln an einer der Diffusorscheiben und im Strömungskanal, wobei die Schaufelhöhe am Einlauf groß ist und in Richtung zum Auslauf zunehmend kleiner wird, die Auswirkung, daß die ungleichmäßige Strömung des Fluids am Auslaß des Laufrads im Einlaufteil des Diffusors im wesentlichen vergleichmäßigt wird und daß die Erzeugung einer Sekundärströmung vermieden wird und nur ein geringer Reibungsverlust des Fluids infolge der verminderten Schaufelhöhe im Auslaufteil des Diffusors auftritt, so daß dadurch das Auftreten eines instabilen Betriebs des schaufelfreien Diffusors aufgrund einer Ablösung der Fluidströmung von den Oberflächen der Diffusorscheiben und entsprechender Rückströmung des Fluids verhindert wird.

Auf diese Weise wird eine Charakteristik des Verdichters auf der Niedrigdurchsatzseite wesentlich verbessert. Insbesondere ergeben sich die Vorteile nach der Erfindung aus dem Verhindern des Auftretens einer Sekundärströmung. Es sei angenommen, das eine Sekundärströmung auftritt. Dann tritt ein Zurückströmen des Fluids aus dem Diffusor zum Laufrad auf, so daß ein Strömungsabriß und andere Erscheinungen einer instabilen Strömung auftreten, die das Auftreten eines Verdichtungsstoßes zur Folge haben. Bei der Erfindung kann das Auftreten einer Sekundär strömung innerhalb des Diffusors verhindert werden, so daß der Verdichtungsstoßpunkt des Fliehkraftverdichters zur Niedrigdurchsatzseite verschoben werden kann.

Ferner ergibt sich durch das Anordnen der Leitschaufeln die weitere Auswirkung, daß in einem schaufelfreien Diffusor eine gleichmäßige Fluidströmung erzielbar ist, so

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daß der Wirkungsgrad des schaufelfreien Diffusors verbessert wird und die Ausgangsleistung eines einen solchen schaufelfreien Diffusor aufweisenden Fliehkraftverdichters ebenfalls erheblich gesteigert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind die Leitschaufeln 11 nicht nur an der Diffusor scheibe 9 auf der Seite der Haube 2, sondern auch an der Diffusorscheibe 8 auf der Seite der Nabe 3 angeordnet. Die Leitschaufeln 11 auf der Diffusorscheibe 8 wirken mit denjenigen auf der Diffusorscheibe 9 dahingehend zusammen, daß sie die Niedrigströmungswinkel-Fluidströmung auf der Seite der Nabe 3 so leiten, daß die Strömung im wesentlichen vergleichmäßigt wird. Normalerweise ist der Niedrigströmungswinkelbereich auf der Nabenseite klein, so daß die Höhe der Leitschaufeln 11 auf der Seite der Nabe 3 geringer als diejenige der Leitschaufeln 11 auf der Seite der Haube 2 sein kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind in der Diffusorscheibe 9 auf der Seite der Haube 2 eine Mehrzahl Führungsnuten 12 gebildet, und zwar auf der Basis desselben Konzepts wie die Leitschaufeln nach Fig. 4·. Die Führungsnuten 12, die in dem durch die Diffusorscheibe 9 begrenzten Fluidkanal vorgesehen sind, haben eine Tiefe, die im wesentlichen gleich der Höhe der Leitschaufeln 11 von Fig. 4· ist. In diesem Fall zieht ein Teil des in den Führungsnuten 12 strömenden Fluids den Rest des auf der Diffusorscheibe 9 strömenden Fluids nach, so daß die Fluidströmung im Fluidkanal im wesentlichen vergleichmäßigt werden kann. Damit kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die gleichen Auswirkungen wie diejenigen nach den Fig. 4· und 6 haben. Die Abschnitt der Diffusor scheibe 9, die nach dem Ausbilden der Führungsnuten 12 übrigbleiben, sind bevorzugt so dünn wie möglich.

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Der Grund hierfür ist, daß eine dünnere Diffusorscheibe 9 die Kraft des in den Führungsnuten strömenden Fluids, das die Fluidströmung in den Kanal zieht, steigert.

Fig. 8 erläutert die Vorgänge beim Bestimmen der Form der Leitschaufeln 11 und der Führungsnuten 12. Die Figur zeigt ein konkretes Beispiel, bei dem die Einlaufund Auslaufwinkel ß^ und ß. der Leitschaufeln die Bedingung ß^ "> ß, erfüllen, und die entgegengesetzten Endabschnitte der Nut sind im Zwischenabschnitt gleichmäßig miteinander verbunden. Insbesondere ist bei dem dargestellten Beispiel der Schaufelwinkel in der Lage eines Mittelwerts R des Einlauf radius R-, und des Aus-·

m 3

laufradius R^ des Diffusors gleich dem Auslaufwinkel ß. gemacht, und der Schaufelwinkel in außerhalb des mittleren Radius liegenden Positionen wird konstantgehalten (ßj, so daß die Leitschaufel eine logarithmische Spiralform hat. In Positionen innerhalb des mittleren Radius kann eine geeignete Kurve, z. B. eine Parabel, ein Bogen etc., verwendet werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1.)Diffusor einer Fliehkraft-Fluidmaschine, mit

- einem Ein- und einem Auslauf,

- zwei gegenüberliegenden Diffusorscheiben, und

- einem zwischen den beiden gegenüberliegenden Diffusorscheiben definierten Fluidkanal,

gekennzeichnet durch

- eine Mehrzahl Leitschaufeln (11), die auf wenigstens einer (9) der Diffusorscheiben (8, 9) vorgesehen sind und längs der Strömung eines Fluids im Fluidkanal verlaufen,

wobei

- die Höhe jeder Leitschaufel (11) kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals ist und vom Diffusoreinlauf zum Diffusorauslauf hin allmählich abnimmt.

2. Diffusor einer Fliehkraft-Fluidmaschine, mit

- einem Ein- und einem Auslauf,

- zwei gegenüberliegenden Diffusorscheiben, und

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gekennzeichnet durch

- eine Mehrzahl Führungsnuten (12), die in wenigstens einer (9) der Diffusorscheiben (8, 9) vorgesehen sind und längs der Strömung eines Fluids im Fluidkanal verlaufen, wobei

- die Tiefe der Führungsnuten (12) kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals ist und vom Diffusoreinlauf zum Diffusorauslauf hin allmählich abnimmt.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) an der auf der Seite einer Haube (2) liegenden Diffusorscheibe (9) vorgesehen sind

(Fig.

4; Fig. 7)

k. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) an beiden gegenüberliegenden Diffusorscheiben (8, 9) vorgesehen sind

(Fig. 6).

5. Diffusor nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Höhe der Leitschaufeln (11) bzw. die Tiefe der Führungsnuten (12) an der haubenseitigen Diffusorscheibe (9) kleiner als an der nabenseitigen Diffusorscheibe (8) ist.

6. Diffusor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Leitschaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) so angeordnet sind,

- daß ihr Einlaufwinkel gleich oder kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel

- ihr Auslaufwinkel im wesentlichen gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel ist.

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