DE2552466B2

DE2552466B2 - Überschalldiffusor für Zentrifugalkompressoren

Info

Publication number: DE2552466B2
Application number: DE2552466A
Authority: DE
Inventors: Merle Lavern Waterloo Ia. Kaesser; Homer Jesse Sherman Oaks Calif. Wood
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1974-12-04
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1979-05-10
Also published as: GB1532965A; US4012166A; DE2552466C3; ES443181A1; CA1053202A; DE2552466A1; IT1052471B; SE7513600L; YU40270B; FR2293610A1; JPS5175206A; JPS5936119B2; YU304375A; AU8317275A; CH618776A5; SU1194291A3; FR2293610B1; AR213279A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überschalldiffusor für Zentrifugalkompressoren, der über einem konzentrischen Laufrad des Kompressors angeordnet ist und Diffusorkanäle aufweist, die sich von dem inneren Umfang nach außen hin in ihrem Durchmesser erweitern, wobei die Schaufeln gekrümmt angeordnet und zumindest am Schaufelanfang als logarithmische Spirale ausgebildet sind und ihre Form am Schaufelanfang ellipsenförmig ist.

Bei der Diffusorschaufel für Kompressoren (Ekkert/Schnell, »Axial- und Radialkompressoren«, Springer Verlag 1961, Seite 400 unten und 401 oben), von der die Erfindung ausgeht, sind die Diffusoren parallelwandig, wobei allerdings der Hinweis gegeben ist, daß der Schaufelanfang als logarithmische Spirale ausgebildet sein kann. Diese Ausführung begünstigt nicht das Entstehen von Druckwellen, was bei der Umformung der Geschwindigkeit auf Unterschall generell bekannt ist (US-PS 28 19 837).

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe wird in einem optimalen Druckgewinn unter Beibehaltung des Drehimpulses gesehen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst worden, daß die Mittelachse des gesamten Diffusorkanais als logarithmische Spirale ausgebildet ist, wobei der Teil des Diffusorkanais am inneren Umfang des Leitrades einen Durchmesser aufweist, der in einem geringeren Maße ansteigt als der des dem äußeren Umfang des Leitrades zugelegenen Teils, und wobei der maximale Durchmesser des diffusorfreien Bereichs zwischer. dem Außendurchmesser des Laufrades und dem Einlaßende der Diffusorkanäle zwischen dem

to l,04fachen des Durchmessers des Innenumfanges des Leitrades und dem l,06fachen des Durchmessers des Außenumfangs des Laufrades liegt

Auf diese Weise wird durch die logarithmische Spiralausführung der Diffusorkanäle ein sich sanft im Durchmesser erweiternder Schaufelkanal erzielt, der eine verbesserte Beibehaltung der Drehimpulse unter möglichst geringen Strömungsverlusten gewährleistet

Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche, wodurch unter anderem erreicht wird, daß im Bereich der Einlaßöffnung in jedem Diffusorkana! eine Druckwelle entsteht, wodurch wiederum die Diffusorkanal-Länge verkürzt werden kann, was letztlich eine kompakte Ausbildung des Kompressors bedeutet Eine zusätzliche Diffusorstufe ist dadurch in der Regel nicht mehr erforderlich.

Insbesondere durch das Heranrücken der Einlasse der Diffusorkanäle an den Außenumfang des Laufrades des Kompressors wird erreicht, daß die Gasströmung eine Geschwindigkeit hat die höher als die Schallgeschwindigkeit ist, wenn sie die Einlaßenden der Diffusorkanäle erreicht Bei der Druckwelle tritt ein erhebliches Anwachsen des Druckes und ein Herabsetzen der Geschwindigkeit auf in etwa dem Verhältnis M\Mo = 1, wobei M\ die Geschwindigkeit der MACH-Zahl an der Einlaßseite und Mo die Geschwindigkeit der MACH-Zahl an der Auslaßseite der Druckebene beträgt. Grenzschichtverluste werden reduziert durch eine Überschalldiffusion bei Geschwindigkeiten, die erheblich unter MACH 1 liegen. Da die größten Verluste in

Bereichen höchster Geschwindigkeit in einem Überschalldiffusor auftreten, ist die Überschalldiffusorleistung sehr beträchtlich.

In der Zeichnung ist ein nachfolgend näher erläutertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Leitrad in perspektivischer Darstellung.
Fig.2 eine Fragmentdarstellung einer Hälfte des Leitrades und
F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2.

In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Überschall-Druckwellenleitrad mit 10 bezeichnet, das einen ringförmigen Leitradkörper aufweist, der wiederum aus zwei miteinander verbundenen Hälften 14 und 16 besteht, die gegeneinander in einer Radialebene 18 anliegen.

In Fig. 2 ist angedeutet, daß in dem Leitrad 10 ein Laufrad rotiert, dessen Außenumfang mit 32 bezeichnet ist. Das Laufrad läuft um eine Achse 30 um, die senkrecht zu der Ebene von F i g. 2 angeordnet ist.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Außendurchmesser 32 sechs Zoll, der Innendurchmesser 34 des Leitradkörpers 12 6,026 Zoll und der Außenumfang 26 des Leitradkörpers 12 12 Zoll. Der Innendurchmesser 34 wird zweckmäßig so klein wie möglich gehalten, wobei jedoch ein ausreichender Freiraum zwischen dem Außendurchmesser 32 und dem Innendurchmesser 34 besteht, um Beschädigungen an dem Laufrad des Kompressors zu vermeiden.

Wie insbesondere aus dem mit 40 bezeichneten

Diffusorkanal hervorgeht, weist jeder Diffusorkanal 28 einen kreisförmigen Querschnitt auf, der in Ebenen liegt, die senkrecht zu einer Längsachse 42 verlaufen, die wiederum in der Radialebene 18 angeordnet ist. Die Längsachse 42 ist aus einer logarithmischen Spirale gebildet, die die Beibehaltung der Drehimpulse des Gases ermöglicht, das von dem Laufrad mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente austritt.

An einem Finlaßende 60 schneidet der Diffusorkanal 40 benachbarte Diffusorkanäle 62 und 64 an seinen gegenüberliegenden Seiten. Wenn der Divergenzwinkel der Diffusorkanäle an dem Einladende 60 gering ist, dann liegt der Schnittpunkt nebeneinanderliegender Diffusorkanäle im wesentlichen in einer Ebene, die parallel zu der Achse 30 verläuft und einen elliptischen Bogen bildet Die Ausdehnung der großen Achse des elliptischen Bogens einer jeden Schnittfläche liegt dann auf einem Kreis 66, der den größten Umfang eines diffusorfreien Raumes 68₍ zwischen dem Einlaßende 60 zu den Diffusorkanälen und dem Außendurchmesser 32 des Kompressor-Laufrades, bildet Wie ferner aus der Zeichnung hervorgeht, liegt das Einlaßen-Je 70 eines jeden Diffusorkanais 28 — wie es beim Diffusorkanal 40 dargestellt ist — in einer Ebene, die senkrecht zu der Längsachse 42 verläuft und den Kreis 66 in der Ebene 18 an der radial innenliegenden Seite 72 des Diffusorkanais 40 schneidet Die Durchmesser der Diffusorkanäle 28 an den Einlaßenden sind vorzugsweise relativ klein mit Bezug auf die Anzahl der Diffusorkanäle 28 und dem Außenumfang 32 gehalten, so daß der diffusorfreie Bereich relativ klein gehalten werden kann. Hierdurch wirderum wird erreicht, daß der über Schallgeschwindigkeit liegende Gasstrom nicht wesentlich in diesem diffusorfreien Bereich 68 verlangsamt wirkt und daß er die Einlaßenden der Diffusorkanäle 28 mit einer größtmöglichen Geschwindigkeit erreicht. Zum einwandfreien Arbeiten jedoch ist es erforderlich, daß ein diffusorfreier Bereich 68 vorhanden ist, um scharfe Kanten zwischen benachbarten Diffusorkanälen für das Gas, das di.i Kompressor-Laufrad verläßt, zu erreichen. Beste Arbeitsergebnisse werden erreicht, wenn Druckwellen im Bereich der Diffusorkanäle auftreten. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Kreises 66, der den maximalen Durchmesser des diffusorfreien Bereiches 68 bildet, ungefähr das l,047fache des Durchmessers des Außendurchmessers 32, der den Außenumfang des Kompressor-Laufrades bildet. Dies entspricht ein^m Durchmesser von ungefähr dem l,042fachen des Durchmessers des Innendurchmessers 34 des Leitradkörpers 12. Jedenfalls soll der Durchmesser des Kreises 66 nicht mehr als das l,06fache des Durchmessers des Außendurchmessers 32 betragen. Dies entspricht ungefähr dem l,055fachen des Innendurchmessers 34.

Da der Abstand auf der Längsachse 42 von dem 5i Einlaßende 70 aus radial nach außen von der Drehachse aus ansteigt, nimmt der Querschnitt-Bereich der Diffusorkanäle 28 immer mehr zu. Wenn nun der Divergenzwinkel des Diffusorkanais 40 zu groß ist und die Fläche zu schnell mit Bezug auf die gebogene Länge t>o L auf der Längsachse 42 zunimmt, dann wird eine Trennung des durchfließenden Gases in einer Grenzschicht im Bereich der Diffusorwände auftreten, was wiederum wesentliche Verluste von genetischer Energie bedeutet, die in Hitze anstatt in statischen Druck umgewandelt wird. Andererseits wird, wenn der Divergenzwinkel zu kli./n ist und die Querschnittsfläche zu langsam ansteigt mit Bezug auf die gebogene Länge L der Längsachse 42, der Diffusorkanal 40 unnötigerweise zu lang, und die entstehenden Reibverluste zwischen den Wänden der Diffusorkanäle 40 und dem durchlaufenden Gas sind größer als erforderlich.

Bei der vorliegenden Ausführung wird vorteilhafterweise ein Gas mit Charakteristiken genommen, die es erlauben, daß der Divergenzwinkel vergrößert werden kann, ohne daß eine Gastrennung auftritt, wenn die Gasgeschwindigkeit bei zunehmendem Diffusorkanal· Durchmesser abnimmt, wobei nochmals darauf hingewiesen wird, daß der Durchmesser mit zunehmender Entfernung von dem Einlaßende 70 auf der Längsachse 42 größer wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser am Einlaßende 0,282 Zoll, während der Durchmesser am Auslaßende 74 0,6304 Zoll beträgt. Das Auslaßende 74 weist in etwa zu der Ausgangslinie 58 einen Winkel Alpha von 17,0703° auf, während der Winkel Alpha des Einlaßendes 70 mit der Ausgangslinie 58 3,1320° beträgt Die Bogenlänge der Längsachse 42 zwischen dem Aus':;ßende 74 und dem Einlaßende 70 beträgt somit in etwa

(17,0703° -3,1320°) χ

15ZoIl

57,296°/Radius

= 3,64Q Zoll.

Die Querschnittsfläche des Diffusorkanais an dem Auslaßende 74 beträgt ungefähr das 5fache der Querschnitisfläche des Diffusorkanais 40 am Einlaßende 70. Dies entspricht etwa dem maximalen Flächenverhältnis, bei dem eine effektive Druck beibehaltende Diffusion vonstatten gehen kann. Ausgehend von dem Einlaßende 70 beträgt der zweite Differentialquotient des Diffusorkanais mit dem Durchmesser D mit Bezug auf die Bogenlänge L der Längsachse 42

d²D

IiF

und ergibt eine Konstante von K\ = 0,0526 Zoll pro Zoll². Unter der Annahme eines Ausgangsdivergenz-W'.nkels an dem Auslaßende 74 beträgt der Differentialquotient des Diffusorkanaldurchmessers D mit Bezug

auf die Bogenlänge L -J₇- = K\L, wobei der Durchmes-

ser D=V₂ Kii.² + 0,282 beträgt. Radial inwärts des Einlaßendes 70 sind die Diffusorkanäle zylindrisch ohne Divergenz ausgebildet.

Es hat sich für die leichte Herstellung als zweckmäßig erwiesen, daß die zu bevorzugende Diffusorkanal-Divergenz am besten dadurch erreicht werden kann, daß jeder Diffusorkanal 40 in drei einzelne konische Teile gefräst wird, die dann an den scharfen Übergängen, die an den Schnittpunkten der aneinander gegenüberliegenden konischen Teilen cntstchcr,, abgeschliffen werden. Beim Ausführunpsbeispie! sind die alle inwäris des Einlaßendes 70 liegenden konischen Teile mit 76 bezeichnet, wobei der erste konische Teil insoweit etwas anders liegt als er einen Zylinder ohne Divergenz bildet, der einen Durchmesser von etwa gleichbleibend 0,282 ZoI¹ hat. Ein zweiter konischer Teil 78 liegt zwischen dem Einlaßende 70 und einem Zwischenteil 80 und bildet mit der Ausgangslinie 58 einen Winkel von Alpha - 5,6112°. Dieser Teil ist der Anfang des Unterschallgeschwindigkeit-Diffusionsbereiches bei vorzuziehenden Arbeitsbedingungen, wobei Druckwellen im Bereich des Einlaßendes 70 auftreten. Der zweite konische Teil 78 hat einen effektiven Divergenzwinkel von 3° und einen Durchmesser von 0,316 Zoll an dem

Zwischenteil 80 kurz bevor er in den anderen Teil übergeht. Dieser andere oder dritte konische Teil ist mit 82 bezeichnet und schließt den Bereich ein, der radial außerhalb des Zwischenteiles 80 liegt. Der Divergenzwinkel dieses dritten konischen Teiles 82 beträgt 6°.

Während des Einsatzes strömt Gas aus dem Laufrad an dessen Außendurchmesser 32 mit einer Geschwindigkeit, die über der des Schalles liegt, aus, die auch nur geringfügig verringert wird, wenn das Gas durch den diffusorfreien Bereich 68 gelangt. Eine erste Kompressionsdruckwelle tritt nahe dem Einkißcndc 70 entweder im diffusorfreien Bereich 68 und radial inwiiris des Einlaßendes 70 oder im Diffnsorkanal 40 radial auswärts des Einlaßendes 70 auf. Die genaue Stelle, an der die Druckwelle auftritt, variiert mit den Arbeitsbedingungen des Kompressors und besonders mit dem statischen Druck am Auslaß. Da der statische Druck am Auslaß abnimmt, lendiert die Druckwelle dazu, sich radial nach auUen auf das hinlaUcndc eier UiHusorkanäie 28 hin zu bewegen. Wenn der statische Druck zu niedrig wird, bildet sich eine zweite Druckwelle, wodurch die Leistungsfähigkeit wesentlich herabgesetzt wird. Die zweite Druckwelle bewegt sich radial nach außen durch den zweiten konischen Teil 78. wenn der statische Auslaßdruck weiter abnimmt. Unter vorzuziehenden Arbeitsbedingungen kann die zweite Druckwelle vermieden werden, wobei die erste Druckwelle nahe dem Einlaßende 70 erfolgt. Die Gase an dem Einlaßende der Kompressionsdrjckebene haben vorzugsweise eine Geschwindigkeit mit einer MACH-Zahl von etwa 1,5. wobei bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die MACH-Zah! etwa 1.35 beträgt. Da die MACH-Zahl an der Einlaßseite über etv/a 1,7 ansteigt, wurde ein beträchtliches Abfallen in der Leistungsfähigkeit der Druckwelle festgestellt.

Unter den vorzuziehenden Einsatzbedingungen tritt

eine unter Schallgeschwindigkeit liegende Diffusion im Bereich des zweiten konischen Teiles 78 und im Bereich des dritten konischen Teiles 82 ein. Da die Gasgeschwindigkeit an der Auslaßseite der ersten Druckwelle wesentlich unter MACH 1 liegt, können die viskosen

in Grenzschichtverluste, die bei Durchfluß durch Unterschall- Diffusorkanäle mit Geschwindigkeiten nahe MACH I auftreten, vermieden werden, wobei die nicht wieder gewinnbare genetische Energie des Gases nach einem maximalen Druck beibehaltenen Diffusionsver-

i'. hältnis von 5 : I wesentlich reduziert wird. Im EaIIc, daß eine zweite Druckwelle im zweiten konischen Teil 78 ,uiftrcten sollte, entsteht eine unter Schall liegende Diffusion stromabwärts. Die erforderliche Länge der IJilfiisorkanäle 28 wird wesentlich reduziert durch die

.'η beträchtlich? Geschwindigkeitsreduktion und den Drrckanstieg. der bei der relativ kurzen Druckwelle auftritt, wobei der Außcnumfang 26 des ringförmigen l.citradkörpcrs 12 durch die Verwendung des kleinen Winkels Theta und der kurvenförmigen Anordnung der

_>-, Diffusorkanäle mit Kreisquerschnitt verringert werden kann. Alle diese Möglichkeiten ergeben einen Diffusorkanal mit einer effektiven Bogenlänge auf der Längsachse /. von 3.649 Zoll, die in einem Radialabstand von 2.718 Zoll auf der Mittellinie des Diffusorkanais mit

κι Bezug auf die Drehachse 30 liegt. Der l.citradkörper 12 kann dadurch schmaler und kompakter ausgebildet werden.

Hierzu 2 Blatt /.eiclinunsicn

Claims

Patentansprüche:

1. Überschalldiffusor für Zentrifugalkompressoren, der über einem konzentrischen Laufrad des Kompressors angeordnet ist und Diffusorkanäle aufweist, die sich von dem inneren Umfang nach außen hin in ihrem Durchmesser erweitern, wobei die Schaufeln gekrümmt angeordnet und zumindest am Schaufelanfang als logarithmische Spirale ausgebildet sind und ihre Form am Schaufelanfang ellipsenförmig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachse des gesamten Diffusorkanals (28, 40) als logarithmische Spirale ausgebildet ist, wobei der Teil (78) des Diffusorkanais am inneren Umfang des Leitrades einen Durchmesser aufweist, ι ler in einem geringeren Maße ansteigt als der des dem äußeren Umfang des Leitrades zugelegenen Teils (82), und wobei der maximale Durchmesser des diffusorfri^:en Bereichs zwischen dem Außendurchmesser (32J des Laufrades und dem Einlaßende (70) der Diffusorkanäle zwischen dem l,04fachen des Durchmessers des Innenumfanges (34) des Leitrades (10) und dem 1,06fachen des Durchmessers des Außenumfanges des Laufrades liegt.

2. Diffusorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem uiffusorkanal (28) eine Tangente (56) zur Längsachse (42) zugeordnet ist, die eine Tangente (54) zum Innendurchmesser (.34) des Leitrades (10) an einem Bezugspunkt (52) in einem Winkel von etwa 15° schneidet, wobei der Bezugspunkt der Schnittpunkt der Längsachse eines jeden Diffusorkanais mit den· innendurchmesser ist

3. Diffusorschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß cii. Durchmesser eines jeden Diffusorkanais dem Verhältnis D — '/2 Ki L² + Ki entsprechen, wobei D der Diffusordurchmesser, L die Diffusorkanallänge gemessen entlang der Längsachse (42) vom Einlaßende aus, K\ eine Konstante und Ki der Diffusordurchmesser am Einlaßende ist.