DE3442665C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Diffusor ist aus der US-A 40 27 997 bekannt.

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 dessen Energie 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 diesen Typs, die für die Verwendung bei Gasturbinentriebwerken vorgesehen sind, hat 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 eingangs genannten US-A 40 27 997 beschrieben. Dieser bekannte Diffusor hat mehrere gerade (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 Diffusorauslaß ergeben. Diese nahezu rechteckige Form des Diffusorauslasses 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 Diffusors beschleunigte Gase direkt aus dem Laufrad empfängt, ergeben sich aufgrund des hohen Viskositäts-Strömungswiderstandes unerwünschte Druckverluste.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Diffusor der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß nur kleine Viskositäts-Strömungswiderstände entstehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Länge des Einlaßteils verkürzt werden kann und dadurch die Druckverluste an dem ringförmigen Einlaß verkleinert 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

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

Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 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 Querschnitts 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.

Fig. 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 Diffusor 14 nach der Erfindung stellt jedoch eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Diffusoren und insbesondere gegenüber dem oben beschriebenen, aus der US-PS 40 27 997 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 eine quasi-schaufellosen, ringförmigen Einlaß 26 des Diffusors 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 begrenzter Kanal, der einen insgesamt halbkreisförmigen, an einem Scheitel desselben offenen Querschnitt an seinem stromabwärtigen Ende hat und sich zu einem insgesamt ebenen, linearseitigen Querschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende verjüngt, wo er sich mit dem 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 Lippen- oder 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 Möglichkeiten 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 drücken, 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 Diffusors 14 ermöglicht wird.

Der engste Teil 28 stellt gemäß der Erfindung eine beträchtliche Verbesserung im aerodynamischen Wirkungsgrad des Diffusors 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 Diffusorkanäle 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 engstens 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 viereckigen 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 Diffusors 14 ergibt.

In den Fig. 1, 4 und 5 ist der Einlaßteil 24 der Kanäle 22 dargestellt und hat eine Länge L₁. Der Einlaßteil 24 empfängt 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 L₁ des Einlaßteils 24 den Flächeninhalt verkleinert, der dem relativ hohen Viskositätsströmungswiderstand ausgesetzt ist, und deshalb zu einer Verringerung des gesamten Viskositätsströmungswiderstands 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 L₁ 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 Querschnittsfläche haben, die gleich A ist.

Die Kanäle, die einen kreisförmigen Querschnitt 40 haben, werden sich gegenseitig in einem Abstand L₂ schneiden, der rechtwinklig 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 L₁ schneiden, wobei L₁ wesentlich kleiner als L₂ ist. Demgemäß wird für einen bestimmten Durchflußquerschnitt A ein engster Teil 28, der den ersten viereckigen Querschnitt 30 statt eines kreisförmigen Querschnitts 40 hat, einen Einlaßteil 24 ergeben, der eine kleinere Länge L₁ und damit geringere Viskositätsströmungswiderstandskräfte hat.

Die bevorzugten Abmessungen des ersten viereckigen Querschnitts 30 sind so gewählt worden, daß nicht nur die Länge L₁ der Einlaßteile 24 verringert wird, sondern daß auch ein Teil des kreisförmigen Querschnitts 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 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 L₁, 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 Querschnitts 30 sind durch einen Radius R festgelegt, der sich aus der Lösung folgenden Integrals ergibt:

Die Lösung dieser Integralgleichung ist:

Mit den eingesetzten Grenzen ergibt sich:

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 Querschnitts 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 Fig. 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 empfängt, 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 Diffusorteil 42, der integraler Bestandteil des engsten Teils 28 ist. An einem stromabwärtigen Ende hat der Diffusorteil 42 einen zweiten viereckigen Querschnitt 44, der zwei parallele, einander gegenüberliegende, lineare Seitenwände 46 und 48 sowie zwei im wesentlichen bogenförmige, einander gegenüberliegende Seitenwände 50 und 52 aufweist (vgl. Fig. 6). Der Diffusorteil 42 hat ein stromaufwärtiges Ende, das ein integraler Bestandteil des engsten Teils 28 ist und einen dritten viereckigen Querschnitt 54 aufweist, der mit dem ersten viereckigen Querschnitt 30 des engsten Teils 28 im wesentlichen identisch ist. Der Diffusorteil 42 verjüngt sich zwischen seinem stromaufwärtigen und seinem stromabwärtigen Ende allmählich.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 6 ist der zweite viereckige Querschnitt 44 des Diffusorteils 42 unter im wesentlichen 90° zu dem ersten viereckigen Querschnitt 30 angeordnet. Gemäß der Darstellung in 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 einer radialen Achse S des Diffusors 14 angeordnet.

Der verbesserte Diffusor 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 Wände der Diffusorkanäle 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 Bearbeitung 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 der Kanäle 22 erzeugen, sind mit den entsprechenden Bezugszahlen der Kanäle 22 bezeichnet. Zum einfachen und genauen Erzielen des ersten und des zweiten viereckigen Querschnitts 30 bzw. 44 können die linearen Seitenwände 32, 34, 44 und 46 einfach und genauso spanabhebend bearbeitet bzw. plangeschliffen werden, daß sie sich verjüngen, um relativ gleichmäßige Übergänge zu erzielen.

Claims (10)

1. Diffusor für einen Radialverdichter, enthaltend:
ein Laufrad,
ein ringförmiges Gehäuse,
mehrere Kanäle, die auf dem Umfang des Gehäuses im Abstand angeordnet sind und sich durch das Gehäuse erstrecken, wobei benachbarte Kanäle einander an radial inneren Einlaßteilen schneiden und einen quasi-schaufellosen ringförmigen Diffusoreinlaß bilden und jeder Kanal eine engste Stelle aufweist, die integraler Teil des Einlaßteils ist,
dadurch gekennzeichnet,, daß
die engste Stelle (28) einen viereckigen Querschnitt (30) mit zwei im wesentlichen parallelen, geraden, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (32, 34) und mit zwei im wesentlichen bogenförmigen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (36, 38) hat,
die zwei geraden Seitenwände (32, 34) in einem kleineren Abstand zueinander angeordnet sind als die bogenförmigen Seitenwände (36, 38) und
die geraden Seitenwände (32, 34) senkrecht zur radialen Achse (S) des Diffusors (14) angeordnet sind.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geraden gegenüberliegenden Seitenwände (32, 34) einen Abstand zueinander haben, der kleiner als der Durchmesser eines Kreises ist, dessen Fläche gleich der Fläche des viereckigen Querschnitts (30) ist.

3. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geraden Seiten (32, 34) in einem Abstand angeordnet sind, der im wesentlichen gleich der Spitzenbreite der Schaufeln (16) ist.

4. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Engstelle (28) mit konstanter Querschnittsfläche in tangentialer Richtung über eine Länge erstreckt, die insgesamt gleich dem Durchmesser eines Kreises ist, dessen Flächeninhalt gleich dem Flächeninhalt des ersten viereckigen Querschnitts (30) des engsten Teils (28) ist.

5. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) einen Diffusorteil (42) aufweisen, der integraler Teil des engsten Teils (28) ist und an einem stromabwärtigen Ende einen zweiten viereckigen Querschnitt (44) mit zwei wesentlichen parallelen, einander gegenüberliegenden, linearen Seitenwänden (46, 48) und mit zwei im wesentlichen bogenförmigen, einander gegenüberliegenden Seitenwänden (50, 52) hat.

6. Diffusor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusorteil (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 Diffusorteil sich zwischen dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Ende allmählich verjüngt.

7. Diffusor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite viereckige Querschnitt (44) unter im wesentlichen 90° in bezug auf den ersten viereckigen Querschnitt (30) ausgerichtet ist.

8. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einlaßteil (24) einen teilweise begrenzten Kanal (23) mit einem halbkreisförmigen Querschnitt an seinem stromaufwärtigen Ende bildet, der an seinen gegenüberliegenden Basis- und Scheitelteilen offen ist, wobei der Einlaßteil (24) von dem halbkreisförmigen Querschnitt zu dem viereckigen Querschnitt des engsten Teils (28) konisch verläuft.

9. Diffusor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich benachbarte Einlaßteile (24) schneiden und stufenförmige Abschnitte bilden, die von dem engsten Teil (28) ausgehen und bis zu dem stromaufwärtigen Ende des Einlaßteils (24) konisch verlaufen.

10. Diffusor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenförmigen Abschnitte ebene, radial nach außen gerichtete Flächen, die durch Teile der geraden Seitenwände (32, 34) gebildet sind, und bogenförmige, radial nach innen gerichtete Flächen aufweisen, die durch Teile der bogenförmigen Seitenwände (36, 38) gebildet sind.