DE3103595C2

DE3103595C2 - Schaufelloser Diffusor einer Strömungs-Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE3103595C2
Application number: DE3103595A
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: 1985-10-31
Also published as: IT1143361B; IT8167156A0; JPS6230320B2; DE3103595A1; JPS56113097A; US4421457A; CH651357A5

Abstract

Ein schaufelfreier Diffusor, der am Außenumfang des Laufrads eines Fliehkraftverdichters angeordnet ist und zwei scheibenförmige gegenüberliegende Diffusorplatten, die zwischen sich einen Fluidkanal bilden, aufweist, ist mit einer Mehrzahl Leitschaufeln ausgebildet, die vom Einlauf zum Auslauf des Diffusors verlaufen. Die Leitschaufeln, die an wenigstens einer der beiden Diffusorplatten angeordnet sind und sich unmittelbar vom Auslaß des Laufrads in Fluidströmungsrichtung durch den Fluidkanal erstrecken, haben eine Höhe, die kleiner als die halbe Breite des Fluidkanals ist und vom Einlauf zum Auslauf des Diffusors hin stetig abnimmt.

Description

— daß die Höhe der Hilfsleitschaufeln (11) am Diffusor-Eintritt am größten ist und zum Diffusor-Austritt hin allmählich abnimmt,

— daß die Höhe der Hilfsleitschaufeln (11) am Diffusor-Eintritt kleiner ist als die halbe Breite des Kanals und

— daß die Hilfsleitschaufeln (11) so angeordnet sind, daß ihr Eintrittswinkel {ßj) gleich oder kleiner als tan über die Breite des Diffusors mit einer konstanten Größe entsprechend der Betriebslast bestimmter Konstruktions-Strömungswinkel, und ihr Austrittswinkel (#) im wesentlichen gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel ist.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Hilfsleitschaufeln (11) Führungsnuten (12) angeordnet sind.

3. Diffusor nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, faß die Hilfsleitüchaufeln(ll)oderdie Führungsnuten (12) an der Diffnsorscheibe (9) vorgesehen sind, die sich an der Seite des Mantels (2) des Laufrads (1) befindet (F i ^. 4,7\

4. Diffusor nach Anspruch I OGer 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüfsleitxchaufeln (11) oder die Führungsnuten (12) an beiden gegenüberliegenden Diffusorscheiben (8,9) vorgesehen sind (Fi g. 6).

5. Diffusor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Hilfsleitschaufeln (11) bzw. die Tiefe der Führungsnuien (12) an der nabenseitigen Diffusorscheibe (8) kleiner als an der mantelseitigen Diffusorscheibe (9) ist.

Die Erfindung betrifft einen schaufellosen Diffusor für eine Strömungsarbeitsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem derartigen aus der FR-PS 21 87 031 bekannten Diffusor haben die im Diffusorkanal angeordneten Hilfsleitschaufeln am Kanaleintritt eine minimale und am Kanalaustritt eine maximale Höhe. Aufgrund der minimalen Höhe der Hilfsleitschaufeln am Kanaleintriu kann die Strömung unmittelbar nach dem Eintritt nicht ausreichend wirksam geführt werden, so daß bei diesem bekannten Diffusor in seinem stromabwärtigen Auslaufteil durch Grenzschichtbildung erzeugte Sekundärströmungen auftreten.

In der älteren DE-OS 30 28 775 wird ein Diffusor für .Sirönitings-Arbcitsmaschincn mit Hilfsleitschaufeln vorgeschlagen, die am Diffusoreinlriu angeordnet sind und sich nur über einen Teilbereich des DiffusorkanaLs erstrecken. Dadurch soll der Diffusorwirkungsgrad durch Vergleichmäßigung der Strömung am Diffusoreintritt verbessert werden. Da Störungen der Strömung durch die kurzen Hilfsleitschaufeln nicht vermieden werden können, treten auch bei diesem Diffusor Sekundärströmungen zumindest in den stromabwärtigen Bereichen auf, die zu erheblichen Leistungsverlusten führen können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Diffusorder eingangs genannte ι Art dahingehend zu verbessern, daß die Strömung im Diffusor wirksam vergleichmäßigt und Sekundärströmungen verhindert werden. Ferner soll der Pumpbereich der Strömungs-Arbeitsmaschine auf die Seite des niedrigeren Durchmessers verschoben werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten zweckmäßige Wciterbildungen des Gegenstandes des Anspruchs 1.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Hilfsleitschaufeln wird die Strömung im zentralen Teil des Diffusors zwischen der Nabe und dem Mantel vergleichmäßigt. Die stetige Höhenabnahme der Hilfsleitschaufeln vom Diffusoreintritt zum Diffusoraustriti vermeidet die Bildung von Sekundärströmungen im stromabwärtigen Kanalabschnitt und damit Reibungsverluste. Die Hilfsleitschaufeln vergleichmäßigen insbesondere auch die Strömung am Auslaß des Laufrads oder am Diffusoreintritt und steigern damit den Wirkungsgrad des Diffusors. Durch ^iromabwärtige Höhenabnahme der Hilfsleitschaufeln vermindert sich die vom Fluid angeströmte Fläche des Kanals und demzufolge auch die dadurch bedingten Reibungsverluste sowie die Laufgeräusche. Instabile Betriebszustände des Diffusors durch Ablösung der Fluidslrömung von den Oberflächen der Diffusorscheiben werden verhindert

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbcispiele der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich

Fig. 1 schematisch die Strömungsverhältnissc am Auslaß des Laufrads eines Radialverdichters nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 eine Grafik der Strömungsverteilung am Lauf radauslaß bei einem Radialverdichter nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine Grafik der Einflüsse einer ungleichmäßigen Verteilung der Einströmgeschwindigkeil auf die Leistung eines Diffusors;

Fig.4 einen Axialschnitt durch ein Ausiuhrungsbcispiel eines Radialverdichters;

F i g. 5 eine Vorderansicht der Hilfsleitschaufeln nach F ig. 4;

Fig. 6 einen Axialschnitt durch wesentliche Teile eines anderen Radialverdichters;

Fig. 7 einen Axialschnitt durch wesentliche Teile einesdritten Radialverdichters;

Fig.8 eine Vorderansicht des Diffusors mit schematisch eingezeichnetem Verlauf der Hilfsleitschaurcln (Leitnuten).

Insbesondere bei einem Laufrad mit hoher spezifischer Geschwindigkeit, das für große Fluiddurchsätze ausgelegt ist. können der Strömungswinkel /x₂ und die Radialkomponente C_2n, der absoluten Geschwindigkeit des Fluids am Laufradauslaß zu einer stark ungleichmäßigen Strömungsverteilung zwischen Mantel und Nabe führen (vgl. F i g. I und 2), und zwar aufgrund der relativ großen Breite des Laufradauslasscs. Eine unglcichmiißige Strömungsverteilung am Diffusoreinlriu hat eine erhebliche Leistungsverminderung des Diffusors zur Folge, wie Fig.3 zeigt. Darin ist Cp das Verhältnis des statischen Drucks zum dynanischcn Druck am Diffu-

sionseintritt und Bf ein die Geschwindigkeitsverteilung am Diffuscreintritt kennzeichnender Parameter. Der Index »ref« kennzeichnet einen Bezugswert Die gleichen Ergebnisse wie in F i g. 3 konnten in Versuchen mit einem Radialdiffusor einer Strömungsarbeitsmaschine erhalten v/erden.

Bei dem Radial- bzw. Fliehkraftverdichter nach F i g. 4 wird ein Laufrad 4 mit Schaufeln 1, einem Mantel 2 und einer Nthre 3 von einer Welle 5 getrieben. Ein Gas wird in den Radialverdichter durch einen Saugkanal 6 angesaugt und im Laufrad 4 stark beschleunigt mit hoher Geschwindigkeit in einen Diffusor 7 eingeführt Zwei gegenüberliegende Diffusorscheiben 7 und 9 begrenzen einen StrömungskanaL der in ein Spiralgehäuse

10 ausmündet An der dem Laufradmantel 2 benachbarten Diffusorscheibe 9 sind mehrere Hilfsleitschaufeln 11 gemäß F i g. 5 über ihren Umfang verteilt angeordnet Die Hillsleitschaufeln 11 sind, auf der Basis des Konslruktions-Strömungswinkels (einem Mittelwert von 1x2 gemäß Fig.2 in Breitenrichtung des Diffusors), wie folgt geformt:

Jede Hilfsleitschaufel 11 hat einen Einlau;winkel ß₃, der gleich oder kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel ist und einen Auslaufwinkel ß*, der im wesentlichen gleich dem Konstruktions-Strömungswinkel ist Der Einlauf- und der Auslaufwinkel der Hilfsleitschaufeln 11 wird aus folgenden Gründen in dieser Weise ausgelegt: Im Eintritt des Diffusors 7 ist der Strömungswinkel Λ2 nahe dem Mantel oder der Nabe stets kleiner als der Konstruktions-Strömungswinkel (vgl. F i g. 2). Somit wird der vorgenannte Wert gewählt, um den Einlaufwinkel ß\ der Leitschaufeln 11 einem Mittelwert der tatsächlichen Strömungswinkel anzunähern, um Verluste zu minimieren. Der angegebene Auslaufwinkel ßt wird gewählt, damit der Mittelteil und der Aüsiaufiei! der Leitschaufel" 11 einer idealen Strömung im Diffusor längs einer logarithmischen Spirale oder einer Konstantströmung mit einem Strömungswinkel gleich dem iConstruktions-Strömungswinkel angenähert werden. Jede Leitschaufel 11 ist im Mittelteil als Parabelbogen oder eine andere Kurve ausgebildet so daß der Winkel gleichmäßig von ßz nach /?t übergeht. Die Höhe der Hilfsleitschaufeln 11 ist geringer als die halbe Breite des Diffusorkanais. Ihre Höhe ist am Diffusorcintritt maximal und nimmt zum Diffusoraustritt hin stetig bis auf Null oder das 0,25 — 0.5tache der Maximalhöhe ab.

Die Hilfsleitschaufeln 11 vergleichmäßigen die Strömung am Auslaß des Laufrads 4 oder am Diffusoreiniriii. um dadurch den Wirkungsgrad des Diffusors zu steigern und die Ausbildung einer Grenzschicht an der slromabwärtigcn Seite zu unterbinden, so daß durch Sokundärslrömungen verursachte Druckverluste vermieden werden. Die abströmseitige Höhenabnahme der Hilfsleitschaufeln 11 verringert die vom Gas angeströmte Fläche des Diffusorkanais und damit sekundäre Strömungsverluste. Die vergleichmäßigte Strömung stromaufwärts bewirkt eine Verringerung der inneren Reibung im gesamten Diffusorkanal. Durch die Vermeidung der im Grenzschichtbereigh an den Kanalwänden zum Laufrad hin strömenden Sekundärströmungen werden auch instabile Betriebszustände der Strömungsmaschine vermieden, die durch Abreißen der Sekundärströmungen am Diffusoreintritt verursacht werden.

Bei dem Diffusor nach Fig.6 sind Hilfsleitschaufeln

11 an der dem Laufradmantel 2 benachbarten Diffusorscheibe 9 an der der Laulradnabe 3 benachbarten Diffusorscheibe 8 angeordnet Die Hilfsleitschaufeln 11 an den beiden Diffusorscheiben 8 und 9 wirken zusammen und vergleichmäßigen die Gasströmung besonders an der Seite der Nabe 3. Die Höhe der Leitschaufeln 11 an der Seite der Nabe 3 kann geringer als diejenige der Leitschaufeln 11 auf der Seite des Mantels 2 sein.

Bei der Ausführung nach F i g. 7 sind Ln der mantelseitigen Diffusorscheibe 9 Führungsnuten 12 ausgebildet, und zwar nach demselben Konzept wie die Hilfsleitschaufeln nach Fig.4. Die Führungsnuten 12 in dem von der Diffusorscheibe 9 begrenzten Diffusorkanal haben eine Tiefe, die etwa gleich der Höhe der Hilfsleitschaufeln 11 von Fig.4 ist In diesem Fall zieht ein Teil des in den Führungsnuten 12 strömenden Gases den Rest des an der Diffusorscheibe 9 strömenden Gases nach, so daß die Strömung im Diffusorkanal vergleichmäßigt wird. Damit hat Jie Ausführung nach F i g. 7 die gleichen Wirkungen wie diejenigen nach den F i g. 4 und 6. Die vorstehenden Abschnitte der Diffusorscheibe 9 zwischen den Führungsnuten 12 sind so dünn wie möglich, weil dadurch die Kraft des in Λη Führungsnuten strömenden Gases, das die Gasströmung in den Kanal zieht gesteigert wird.

In F i g. 8 sind die Kriterien zum Bestimmen der Form der Hilfsleitschaufeln 11 und der Führungsnuten 12 dargestellt Bei diesem konkreten Beispiel erfüllen die Einlauf- und Auslaufwinkel ß₃ und ß₄ der Hilfsleitschaufeln die Bedingung/?4 > ßz und die beiden Endabschnitte der Nut sind im mittleren Abschnitt gleichförmig miteinander verbunden. Bei dem dargestelltem Beispiel ist der Schaufelwinkel in der Mitte des Diffusorkanais bei R_n, (gleich Mittelwert aus Einlaufradius R₃ und Auslaufradius Ra) gleich dem Auslaufwinkel ßi,, wobei der Schaufelwinkel außerhalb des mittleren Radius R_m konstant bleibt, so daß die Leitschaufel eine logarithmische Spiralform hat Innerhalb des mittleren Radius R_n, können die Hilfsleitschaufeln 11 oder die Führungsnut 12 eine geeignete Kurvenform, z. B. eine Parabel, einen Bogen etc. haben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufelloser Diffusor einer Strömungs-Arbeitsmaschine mit einem von zwei gegenüberliegenden Diffusorscheiben begrenzten Diffusorkanal, in dem Hilfsleitschaufeln veränderlicher Höhe angeordnet sind, die sich über seine gesamte Länge vom Diffusor-Eintritt bis zum Diffusor-Austriit erstrekken, dadurch gekennzeichnet,