DE3882463T2

DE3882463T2 - Diffusor für Zentrifugalverdichter.

Info

Publication number: DE3882463T2
Application number: DE88113797T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Abe; Koji Nakagawa; Haruki Sakai; Takeo Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-09-01
Filing date: 1988-08-24
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2008-08-25
Also published as: EP0305879A2; US4877370A; EP0305879B1; DE3882463D1; EP0305879A3

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Zentrifugalverdichter zum Umwandeln von kinetischer Energie eines von dem Laufrad des Kompressors mit Überschallgeschwindigkeit abgegebenen Fluids in Druckenergie mittels einer Vielzahl von Statorschaufeln und Unterschaufeln an dem Einlaßabschnitt des Diffusors. Die Unterschaufeln sind zwischen den Statorschaufeln und nahe deren inneren Enden angeordnet. Nur eine Seitenfläche der Unterschaufeln ist den Statorschaufeln zugewandt, und die Unterschaufeln sind an Stellen angeordnet, die einen Kreis schneiden, dessen Mitte der Mitte des Laufrades entspricht. Der Kreis geht durch die inneren Enden der Statorschaufeln.
Ein Diffusor der gattungsgemäßen Art ist in der CH-A-492130 gezeigt. Der bekannte Diffusor für einen Zentrifugalverdichter weist Unterschaufeln auf, deren Vorderkante stromauf von der Vorderkante der der Unterschaufel zugewandten Statorschaufel angeordnet ist. So wird die Luftgeschwindigkeit durch eine von der Unterschaufel erzeugte Stoßfront von Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindig keit verzögert. Die Statorschaufeln verlangsamen den Unterschalluftstrom weiter. Der Winkel der Unterschaufeln und der Statorschaufeln kann bezüglich des Luftstroms von dem Laufrad eingestellt werden.
Ein anderer Diffusor ist in der JP-57-159 998 in Verbindung mit einem Zentrifugalverdichter offenbart, dessen Laufrad einen Luftstrom mit einer Geschwindigkeit erzeugt, die die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Der stromab von dem Laufrad angeordnete Diffusor weist Statorschaufeln auf. Die Abstände zwischen diesen Statorschaufeln bilden Diffusorkanäle. Der Verdichter ist so ausgelegt, daß ein Hochdruckverhältnis durch eine einzige Stufe erreicht werden kann. Wenn die Drehzahl relativ hoch und der Förderdurchsatz zudem relativ gering ist, kann ein Trennungsströmungsbereich in der Unterdruckseite der Statorblätter erzeugt werden, wodurch ein Pumpphänomen entsteht, was bedeutet, daß ein ausreichender Druckanstieg nicht erreicht werden kann.
Im allgemeinen steigt der Druck in der Richtung eines Luftstroms, der durch den mit Statorschaufeln versehenen Diffusor geht, entsprechend der Verringerung des Verdichterdurchsatzes. Wenn er einen bestimmten Grenzwert überschreitet, erzeugt derselbe einen Rückstrom, wodurch die normale Verdichtungsfunktion gestoppt wird, was als Pumpphänomen bezeichnet wird, was bedeutet, daß der Verdichter nicht normal betrieben werden kann. Der Grenzwert, der bewirkt, daß der Diffusor den Rückstrom erzeugt, variiert in Abhängigkeit von der Form der Statorblätter oder dergleichen. Der Rückstrom entsteht wahrscheinlich leicht durch die Abtrennung des Luftstroms von der Oberfläche der Statorschaufel oder von den beiden Seiten des Statorblattes zugewandten Wandflächen. Im allgemeinen ist die Abtrennung des Luftstroms von der Unterdruckseite des Statorblattes eine Hauptursache. Wenn die Stoßwelle in diesem Stadium die Unterdruckseite erreicht hat, ist es wahrscheinlich, daß die Grenzschicht entlang der Unterdruckseite aufgrund des starken Druckanstiegs vor und hinter der Stoßwelle eine je nach den gegebenen Umständen schnelle Steigerung ihrer Dicke, eine Teilabtrennung oder eine Abtrennung in großem Umfang erfährt.
Um dies zu verhindern, sind an dem Einlaßabschnitt des Diffusors schwenkbare Unterschaufeln zur Steuerung des durch den Diffusor gehenden Fluids angebracht. Da die zwischen den Statorblättern ausgebildeten Diffusorkanäle direkt hinter der Stromabseite der Unterschaufeln drastisch erweitert sind, entsteht dadurch ein Problem, daß ein Druckverlust erzeugt wird und die Drosselströmung verringert wird, wodurch sich die Leistung des Diffusors verschlechtert.
In der JP 53-119 411 wird vorgeschlagen, daß ein mit Schaufeln ausgestatteter Diffusor in einer Doppelkreis-Schaufelkaskade ausgebildet wird. Die Schaufellänge in der inneren Ringschaufelkaskade ist so vorgesehen, daß sie nicht mehr als das 0,9-fache der Schaufelabstände beträgt. Bei dieser Anordnung besteht das Problem der Verringerung in dem Drosselstrom nicht, doch wird aufgrund einer starken Scherströmung, die stromab von den Schaufeln der inneren kreisförmigen Schaufelkaskade entsteht, ein Verlust erzeugt, wenn die Geschwindigkeit des Fluids am Einlaßabschnitt der Schaufeln, die die innere kreisförmige Schaufelkaskade bilden, die Schallgeschwindigkeit überschreitet. Infolgedessen entsteht dadurch ein Probleml, daß sich die Leistung des Diffusors verschlechtert.
Die US-3 184 152 beschreibt weiterhin einen Diffusor für einen Zentrifugalverdichter mit Statorschaufeln, in deren dazwischen gebildeten Kanal die Überschallströmung durch Dehnwellen und eine Stoßfront auf Unterschallströmung verlangsamt wird. Stromab von der Stoßfront kann eine Leitschaufel in jedem Strömungskanal angeordnet sein, die sich zum äußeren Kreis erstreckt, der von den stromab befindlichen Kanten der Statorschaufeln gebildet wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Diffusor so auszulegen, daß die oben genannten Probleme überwunden werden und daß ein breiter Betriebsbereich und eine große Leistung erreicht werden können.
Ausgehend vom Diffusor der gattungsgemäßen Art wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Sehnenlänge der UnterschaufeIn beträchtlich kürzer als die entsprechende Sehne der feststehenden Statorschaufeln ist, und daß sich die Vorderkante jeder Unterschaufel stromab von einer Linie befindet, die von der Vorderkante der jeweiligen zugewandten Statorschaufel senkrecht zu dieser Statorschaufel gezogen wird.
Da sich die Vorderkante der Unterschaufel stromab von der Vorderkante der zugewandten Statorschaufel befindet, wird am vorderen Ende der Statorschaufel eine Stoßwelle erzeugt. Die Stoßwelle trifft oder erreicht die Unterschaufel und die benachbarte Statorschaufel nicht, da sich die Stoßwelle im wesentlichen senkrecht zu der Statorschaufel erstreckt, wenn sich die Mach'sche Zahl der Luftströmung 1 nähert. Da die Stoßwellen erzeugt werden, wenn eine Überschallströmung auf eine Unterschallströmung verzögert wird, erreicht die Schockwelle die Unterdruckseite nicht. Daher geht der Unterschallstrom durch den Bereich zwischen der Unterschaufel und der Unterdruckseite der Statorschaufel hindurch. So kann der Betriebsbereich erweitert werden, indem das Auftreten des Pumpphänomens vermieden wird.
Vorzugsweise ist jede Unterschaufel in einer Position angeordnet, die eine senkrechte Linie nicht schneidet, welche zu einer der Statorschaufeln an dem inneren Ende der einen Statorschaufel gezogen wird, die der Unterschaufel gegenüberliegt.
Ein Ausrichten der Unterschaufel kann erreicht werden, indem jede Unterschaufel von einem Lagerschaft drehbar gehalten wird, der parallel zu der Welle des Laufrads angeordnet ist.
Verluste können weiter reduziert werden, wenn der Abstand zwischen dem inneren Ende der Unterschaufel und der Statorschaufel, die der Unterschaufel gegenüberliegt, und der Abstand zwischen dein äußeren Ende der Unterschaufel und der Statorschaufel so vorgesehen sind, daß sie unterschiedlich sind.
Vorzugsweise sind die inneren Unterschaufeln so dünn wie möglich, eine bestimmte Dicke ist jedoch zur Gewährleistung der Festigkeit notwendig. Daher muß die Anzahl der Statorschaufeln so gewählt werden, daß ein ausreichender Strömungsquerschnittsfläche sichergestellt ist. In so einem Fall kann die Leistung herabgesetzt werden, weil der Strömungskanal in der Nähe des äußeren Umfangs der Statorschaufel oder der Abstand der Statorschaufeln übermäßig vergrößert ist. Um dies zu vermeiden, sind Zwischenschaufeln in der Nähe der äußeren Enden der Statorschaufeln und zwischen den Statorschaufeln angeordnet, wobei die Sehnenlänge dieser Zwischenschaufeln kürzer ist als die der Statorschaufeln. Jede Zwischenschaufel erstreckt sich durch den Mittelpunkt einer senkrechten Linie, die von einem äußeren Rand der Statorschaufel zu der benachbarten Statorschaufel oder zu einer Verlängerung der Innenseite der benachbarten Statorschaufel gezogen wird. Der äußere Rand jeder Zwischenschaufel erreicht einen Kreis, der durch einen äußeren Rand der Statorschaufel geht. Die Länge der Zwischenschaufel ist innerhalb des Mittelpunktes der senkrechten Linie angeordnet, wenn sie innerhalb 20 % der Gesamtlänge der Zwischenschaufel liegt. Die Gesamtform der Zwischenschaufel ist so ausgebildet, daß, wenn man annimmt, daß die Zwischenschaufel in Drehrichtung um das Zentrum der Welle des Laufrades verschoben wird, die Zwischenschaufel in einer Kontur der Statorschaufel eingeschlossen ist.
Da die Zwischenschaufeln in der Nähe des äußeren Umfangs der Statorschaufeln und zwischen ihnen so angeordnet sind, daß sich die Zwischenschaufel durch den Mittelpunkt der senkrechten Linie von dem äußeren Ende der Statorschaufel zu der Schaufelfläche der benachbarten Schaufel erstreckt, können die Abstände der Statorschaufeln einen geeigneten Wert in der Nähe des äußeren Umfangs der Statorschaufel haben. Deshalb kann eine Leistungsreduzierung vermieden werden.
Aus Ausrichtungsgründen können die Zwischenschaufeln von Lagerschäften drehbar gehalten sein, die parallel zu der Drehwelle des Laufrads angeordnet sind.
Vorzugsweise sind der Abstand zwischen dem inneren Ende der Zwischenschaufel und der Statorschaufel, die der Zwischenschaufel gegenüberliegt, und der Abstand zwischen dem äußeren Ende der Zwischenschaufel und der Statorschaufel so vorgesehen, daß sie unterschiedlich sind.
Bei der geeigneten Ausführung des erfindungsgemäßen Diffusors hat die einlaßseitige Unterschaufel eine Höhe, die kürzer ist als die der Statorschaufel.
Weiterhin kann eine Gleichrichteschaufel stromab von der einlaßseitigen Unterschaufel angeordnet sein, wobei diese Gleichrichteschaufel eine Höhe hat, die kürzer ist als die der einlaßseitigen Unterschaufel.
Schließlich kann die auslaßseitige Zwischenschaufel, die stromab von der Gleichrichteschaufel angeordnet ist, eine Höhe haben, die der der einlaßseitigen Unterschaufel entspricht oder zu ihr ähnlich ist.
Die Anordnungen, die aus einer einlaßseitigen Unterschaufel, einer Gleichrichteschaufel und einer auslaßseitigen Zwischenschaufel bestehen, können in dein Diffusorabschnitt zueinander gegenüberliegend vorgesehen sein.
Bei diesen Anordnungen kann der Betriebsdurchsatzbereich des Diffusors ohne Leistungsverschlechterung erhöht werden, so daß der Betriebsdurchsatzbereich des Zentrifugalverdichters oder des Luftgebläses bedeutend erhöht werden kann.
Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Diffusors für einen Zentrifugalverdichter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1,
Fig. 3 bis 5 sind Diagramme, die jeweils den Betrieb des Diffusors der ersten Ausführungsform zeigen,
Fig. 6 bis 8 sind vergrößerte Ansichten, die jeweils modifizierte Abschnitte der ersten Ausführungsform zeigen,
Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Diffusors für einen Zentrifugalverdichter,
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines Diffusorabschnitts der zweiten in Abb. 10 gezeigten Ausführungsform, und
Fig. 11 bis 14 sind vergrößerte Ansichten, die jeweils modifizierte Abschnitte der zweiten Ausführungsform zeigen.
Fig. 1 zeigt einen Zentrifugalverdichter, der mit einem Laufrad 1 ausgestattet ist, das Schaufeln 1A und eine Kernplatte 1B aufweist und von einer Welle 2 angetrieben wird, die an eine nicht gezeigte Antriebseinrichtung eines Motors angeschlossen ist. Der Zentrifugalverdichter weist weiterhin ein Gehäuse 3, eine Ansaugleitung 4, einen Diffusorabschnitt 5 und ein Spiralgehäuse 6 auf. Der Diffusorabschnitt 5 hat ein schaufelseitiges Diffusorgehäuse 5A, ein kernseitiges Diffusorgehäuse 5B, eine Vielzahl von Statorschaufeln 7, die, wie in Fig. 2 gezeigt, zwischen den Diffusorgehäusen 5A und 5B angeordnet sind, sowie Zwischenschaufeln 9 und Unterschaufeln 8, die so an dem schaufelseitigen Diffusorgehäuse 5A oder dem kernseitigen Diffusorgehäuse 5B angeordnet sind, daß sie in den Diffusorströmungskanal zwischen den Statorschaufeln 7 ragen.
Die Unterschaufeln 8 sind so angeordnet, daß sie einen Kreis 10 schneiden, der das Zentrum der Welle 2 des Laufrades 1 bildet und durch das innere Ende oder die Innenkante (vorderes Ende oder Kante) der Statorschaufel 7 geht. Wenn eine senkrechte Linie 11 von dem vorderen Ende einer Statorschaufel 7b, die sich an einer Seite eines Mittelpunktes des Krümmungsradius einer benachbarten Statorschaufel 7a befindet, bis zu der anderen Statorschaufel 7a nach unten gezogen wird, so ist die Unterschaufel 8 so angeordnet, daß sie die senkrechte Linie 11 nicht schneidet.
Die Zwischenschaufeln 9 sind so angeordnet, daß sie durch den Mittelpunkt einer senkrechten Linie 12 gehen, die von dem hinteren Ende (äußeres Ende) der Statorschaufel 7a zu der benachbarten Statorschaufel 7b gezogen wird. Das hintere Ende oder die Kante der Zwischenschaufel 9 erreicht einen Kreis 13, der durch den äußeren Umfang oder hintere Enden oder Kanten der Statorschaufeln 7 geht. Die Länge der Zwischenschaufel 9, die von dem Mittelpunkt der senkrechten Linie 12 ins Innere vorsteht, beträgt nicht mehr als 20% der Gesamtlänge dieser Zwischenschaufel 9. Die Gesamtform der Zwischenschaufel 9 ist so ausgelegt, daß die Schaufel 9 in der Statorschaufel 7 eingeschlossen ist, wenn man annimmt, daß diese Zwischenschaufel 9 in Rotationsrichtung um einen bestimmten Winkel um das Zentrum der Drehwelle 2 verschoben wird. Weiterhin sind die Statorschaufeln 7, die Unterschaufeln 8 und die Zwischenschaufeln 9 jeweils an ihren beiden Enden durch die gegenüberliegenden Gehäuse 5A und 5B in dem Dif fusorabschnitt begrenzt, wobei der entstandene Raum den Diffusorabschnitt 5 bildet.
Die kinetische Energie des von dem Laufrad 1 abgegebenen Luftstroms A wird in Druckenergie umgewandelt, und die Luft wird verdichtet, wenn sie durch den Diffusorabschnitt 5 geht. Da die Strömungsgeschwindigkeit des in den Diffusorabschnitt 5 eingeführten Luftstroms A die Schallgeschwindigkeit überschreitet, werden Stoßwellen erzeugt, die bewirken, daß die Strömungsgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Fig. 3 und 4 zeigen starke Stoßwellen 15a, 15b und 20, die nahe der vorderen Enden der Statorschaufeln 7a und 7b und der Unterschaufel 8 erzeugt werden und die Stömung beeinflussen, wobei derartige Stoßwellen dann erzeugt werden, wenn sich die Mach'sche Zahl des Luftstroms A dem Wert 1 nähert (z.B. 1,1 oder weniger). Der Winkel θ (Fig. 3), der von dem Luftstrom A und der Statorschaufel 7a begrenzt wird, verändert sich in Abhängigkeit vom Mengenstrom der von dem Verdichter verdichteten Luft. Die Stoßwelle 15a, die an dem vorderen Ende der Statorschaufel 7a erzeugt wird, trifft oder erreicht die Unterschaufel 8 und die benachbarte Statorschaufel 7b nicht, da die Stoßwelle 15a sich im wesentlichen senkrecht zu der Statorschaufel 7a erstreckt, wenn sich die Mach'sche Zahl des Luftstroms A dem Wert 1 nähert. Ein Unterschallstrom 17 geht durch einen Bereich zwischen der Unterschaufel 8 und der Unterdruckseite 16 der Statorschaufel 7a und einen Bereich stromabwärts zwischen einer gestrichelten Linie 18 und der Unterdruckseite 16. Die Stoßwelle 15b, die an dem vorderen Ende der der Statorschaufel 7a zugewandten Statorschaufel 7b erzeugt wird, erreicht nur die gestrichelte Linie 18 und nicht die Unterdruckseite 16 der Statorschaufel 7a. Wenn eine Unterschaufel 8 in der oben beschriebenen Art und Weise vorgesehen ist, wird die Stoßwelle daran gehindert, die Unterdruckseite 16 zu erreichen, und der Betriebsbereich kann vergrößert werden, indem das Auftreten des Pumpphänomens vermieden wird, da die Abtrennung der Luftstromschicht von der Unterdruckseite im wesentlichen verhindert und der Grenzwert, der den Rückstrom bewirkt, auf einen niedrigeren Durchsatzbereich verschoben werden kann, indem die Stoßwelle daran gehindert wird, die Unterdruckseite zu erreichen.
Der größere oder höhere Grenzwert des Durchsatzes des Luftstroms wird in Abhängigkeit von der minimalen Querschnittsfläche des Strömungskanals in dem Diffusorabschnitt bestimmt. Gemäß Fig. 3 wird er daher durch die Länge der Senkrechten oder Normallinie 11 definiert, die von dem vorderen Ende der Statorschaufel 7b zur Unterdruckseite 16 der Statorschaufel 7a gezogen wird. Da die Unterschaufel 8 die senkrechte Linie 11 nicht schneidet und die senkrechte Linie 11 dadurch nicht verkürzt wird, beeinflußt sie in diesem Fall den größeren Grenzwert des Durchsatzes nicht. Da die Unterschaufel 8 vorgesehen ist, kann der kleinere oder niedrigere Grenzwert des Durchsatzes auf einen kleineren Durchsatzbereich verschoben werden, ohne daß der größere Grenzwert des Durchsatzes herabgesetzt wird.
Der beschriebene Effekt der Vergrößerung des Durchsatzbereichs durch die Unterschaufel 8 wird ohne Leistungsverschlechterung des Diffusors verbessert, wenn die Unterschaufel 8 die folgenden Bedingungen erfüllt.
Die erste Bedingung ist, daß sich das hintere Ende der Unterschaufel 8 an einer stromaufwärtigen Seite der senkrechten Linie 11 befindet. Wenn die Unterschaufel 8 die senkrechte Linie 11 schneidet, verringert sich wie beschrieben der maximale Durchsatz, und durch die schnelle Vergrößerung der Querschnittsfläche des Strömungskanals ensteht außerdem der Druckverlust. Da sich der stromab von der senkrechten Linie 11 angeordnete Kanal zwischen den Statorschaufeln 7a und 7b befindet, wird die Breite des Kanals schnell oder drastisch durch die Dicke h des hinteren Endes vergrößert, wenn sich das hintere Ende der Unterschaufel 8 an einer Stelle stromab von der senkrechten Linie 11 befindet. Andererseits ensteht ein starker Druckverlust in dem Bereich eines Abstandes p zwischen dem hinteren Ende der Unterschaufel 8 und der senkrechten Linie 11, da der Luf strom 17, dessen Geschwindigkeit nach Durchgang zwischen der Unterschaufel 8 und der Statorschaufel 7b auf Unterschallgeschwindigkeit verringert worden ist, und die Überschallströmung 19 stromauf von der Stoßwelle 15b miteinander in Berührung gebracht worden sind und sich vermischt haben. Daher muß der Abstand p klein genug sein. Der Abstand p muß oder sollte vorzugsweise 50% oder weniger des Abstandes m zwischen dem vorderen Ende der Statorschaufel 7b und der senkrechten Linie 11 betragen.
Die zweite Bedingung ist, daß das Verhältnis r/q des Abstandes r am Auslaß zwischen der Unterschaufel 8 und der Statorschaufel 7a bezogen auf den Abstand q am Einlaß der Unterschaufel 8 und der Statorschaufel 7a annähernd 1 ist, z.B. 1 bis 1,1 beträgt. Wenn r/q außerhalb dieses Bereichs zu liegen kommt, wird die Strömung von der Oberfläche der Unterschaufel 8 abgetrennt, so daß der Verlust stromab von der Unterschaufel 8 oder Statorschaufel 7a vergrößert wird.
Die dritte Bedingung ist, daß das Verhältnis n/q der Länge n des Abschnitts, wo sich die Unterschaufel 8 und die Statorschaufel 7 gegenüberliegen, bezogen auf den Abstand q zwischen dem vorderen Ende der Statorschaufel 7a und der Oberfläche der Unterschaufel 8 größer als 1 sein muß, damit gewährt ist, daß der Luftstrom 17 Überschallgeschwindigkeit erreicht.
Da die Unterschaufel 8 nicht in den Bereich ragt, in dem die Strömung genau zwischen den Statorschaufeln 7a und 7b begrenzt ist, tritt die schnelle Vergrößerung der Querschnittsfläche des Strömungskanals und die Verringerung im Drosseldurchsatz direkt stromab von der Unterschaufel 8 nicht ein. Außerdem ist der Abstand zwischen dem äußeren Ende der Unterschaufel 8 und der senkrechten Linie 11 relativ gering und der Bereich, in dem die starke Scherströmung auftritt, ist dadurch kurz, so daß der Druckverlust verringert wird. Da sich das hintere Ende der Unterschaufel 8 zwischen dein vorderen Ende der Statorschaufel 7a und dem vorderen Ende der Statorschaufel 7b befindet, erreicht die Stoßwelle nicht die Fläche der Statorschaufel 7a, so daß die Gefahr vermindert wird, daß der Luftstrom 17 von der Fläche der Statorschaufel 7a abgetrennt wird. Daraus resultiert, daß der Durchsatzbereich, in dem der Diffusorabschnitt 5 normalerweise betrieben werden kann, vergrößert werden kann.
Die Unterschaufel 8 sollte unter dem Gesichtspunkt der Aerodynamik vorzugsweise so dünn wie möglich sein, sie sollte jedoch dick genug sein, um strukturell eine angemessene Festigkeit zu haben. Das heißt, eine angemessene Länge sollte in Abhängigkeit der Dicke (z.B. das 5- bis 10-fache der Dicke) gewählt werden. Dabei inuß die Anzahl der Statorschaufeln so gewählt werden, daß die oben erwähnte Beziehung zwischen der Statorschaufel 7 und der Unterschaufel 8 erfüllt wird. Insgesamt sollte sie auf 80% oder weniger reduziert werden, für den Fall, daß keine Unterschaufel 8 vorgesehen ist. Wie oben beschrieben, wird durch Verringern der Anzahl der Statorschaufeln 7 der Abstand zwischen den Statorschaufeln 7 nahe des äußeren Umfangs (Auslaßseite) zu groß, was die Strömung daran hindern könnte, über die Fläche der Statorschaufel 7 zu gehen, woraus dann eine Leistungsverminderung resultiert.
Wie in Fig. 5 gezeigt, geht die Strömung nicht über die Fläche der Statorschaufel 7a, 7b auf der Unterdruckseite 21 nahe des hinteren Endes der Statorschaufel 7a, wodurch ein großer Abtrennbereich 22 entsteht. Diese Erzeugung des großen Abtrennbereichs bewirkt die Verkleinerung der wesentlichen Querschnittsfläche. Dadurch wird die Geschwindigkeitsverringerung in dem Diffusor verschlechtert, und die kinetische Energie geht in dem Abtrennbereich verloren, wodurch die Leistung des Diffusors verschlechtert wird.
Eine solche große Abtrennung kann verhindert werden, indem die Belastung (Verzögerung) auf der Unterdruckseite 16 nahe des hinteren Endes durch Einfügen von Zwischenschaufeln 9 vermindert wird. Der Betrag der Verzögerung auf einer Unterdruckseite 21 nahe des hinteren Endes der Statorschaufel kann nach der eindimensionalen Strömungstheorie als h sinβ/f-1 ausgedrückt werden, wobei der Umfangsabstand h zwischen einem hinteren Ende 23 der Statorschaufel 7a und einem hinteren Ende 24 der Statorschaufel 7b, der Auslaßwinkel β der Statorschaufel und die Länge f der Senkrechten oder Normallinie benutzt werden, die von dem hinteren Ende 23 der Statorschaufel 7a zu ihrer benachbarten Statorschaufel 7b gezogen wird. Mit zunehmendem Wert wird die Verzögerungsbelastung größer. Der Wert h sinβ/f-1 wird in Abhängigkeit von der Form und der Anzahl der Statorschaufeln bestimmt. Mit steigender Anzahl der Schaufeln verringert sich der Wert. Tabelle 1 zeigt Beispiele. Wenn die Zwischenschaufeln 9 vorgesehen sind, kann der Betrag der Verzögerung nahe des hinteren Endes der Unterdruckseite der Statorschaufel 7a aus demselben Grund wie oben als g sinβ/e-1 ausgedrückt werden. Eine Verzögerungsbelastung, wenn die Zwischenschaufel 9 vorgesehen ist, ist ebenfalls in Tabelle 1 gezeigt. Aufgrund der Bereitstellung der Zwischenschaufel 9 kann die Verzögerung von 23% auf eine Verzögerung von 19% gebracht werden, wenn die Anzahl der Statorschaufeln siebzehn beträgt. Dadurch kann die Verzögerung um 20% vermindert werden, wodurch das Auftreten einer großen Abtrennung nahe des hinteren Endes der Unterdruckseite unterdrückt wird. Tabelle 1 Wirkung von Zwischenschaufeln Anzahl der Statorschaufeln h sinβ/f-1 g sinβ/e-1 (mit Zwischenschaufel)
Da die Zwischenschaufel 9 dazu dient, das Auftreten oder die Erzeugung der großen Abtrennung nahe des hinteren Endes der Statorschaufel 7a zu verhindern, wird die Zwischenschaufel 9 mit dem Ziel, die Strömung nahe des hinteren Endes der Statorschaufel 7 zu begrenzen, so angeordnet, daß sie die senkrechte Linie, die von dem hinteren Ende 23 der Statorschaufel 7a zu der benachbarten Statorschaufel 7b gezogen wird, schneidet und daß das hintere Ende 25 den Kreis 13 erreicht. Wenn die Länge der Zwischenschaufel zu groß ist, wird der Bereich, der mit der Strömung in Verbindung tritt, vergrößert. Daher ist die Länge i der Zwischenschaufel 9, die sich stromauf von der oben beschriebenen senkrechten Linie befindet, so vorgesehen, daß sie innerhalb 20% der Gesamtlänge der Zwischenschaufel 9 liegt. Da die Strömung stromauf von der senkrechten Linie eine relativ geringe Ungleichförmigkeit mit sich bringt, ist die Zwischenschaufel 9 so angeordnet, daß sie durch den Mittelpunkt der senkrechten Linie geht, um die Strömung gleichmäßig zu teilen, so daß die Strömung am Auslaß des Diffusors gleichmäßig wird. Dadurch kann das Auftreten eines zusätzlichen Verlustes aufgrund von ungleichmäßiger Strömung verhindert werden. Da die Gesamtform der Zwischenschaufel 9 so ausgebildet ist, daß, wenn man annimmt, daß die Zwischenschaufel 9 in Rotationsrichtung um das Zentrum der Welle 2 verschoben wird, die Zwischenschaufel in der Kontur der Statorschaufel 7 eingeschlossen ist, kann die Strömung glatt durchgehen, wodurch der Verlust vermindert werden kann.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung, bei der die senkrechte Linie nicht von dem hinteren Ende der Statorschaufel 7a auf die benachbarte Statorschaufel 7b gezogen werden kann, da die Sehnenlänge der Statorschaufel 7 zu kurz ist. In diesem Fall wird eine senkrechte Linie 27 verwendet, die zu einer Verlängerung 26 der mittleren Dickenlinie am vorderen Ende der Statorschaufel 7b gezogen wird. Diese Verlängerungslinie 26 kann durch eine gerade Linie gebildet sein, doch eine logarithmische Spirale, die durch das vordere Ende der Statorschaufel 7b geht und einen Einlaßwinkel bildet, erzielt denselben Effekt.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist die Unterschaufel 8 um einen Winkelerweiterung δ drehbar von einem Lagerschaft 29 gehalten, der parallel zur Welle 2 des Laufrades 1 angeordnet ist. Bei einer Betriebsart mit großem Durchsatz wird die Länge der senkrechten Linie 28, die von dem vorderen Ende der Statorschaufel 7b zu der Unterschaufel 8 gezogen wird, so gewählt, daß sie größer ist, während die Länge der senkrechten Linie 28 bei einer Betriebsart mit geringem Durchsatz so ausgewählt wird, daß sie kleiner ist. Dadurch kann der Durchsatzbereich aufgrund des Drosseleffekts weiter ausgedehnt werden. In dieser Ausführung wird der Lagerschaft 29 für die Unterschaufel 8 manuell gedreht, doch er kann mit Hilfe einer angemessene Steuereinheit automatisch betrieben werden.
In der in Fig. 9 gezeigten Ausführung wird die Zwischenschaufel 9 drehbar um einen Winkelerweiterung y von einem Lagerschaft 31 gehalten, der parallel zur Welle 2 des Laufrads 1 angeordnet ist. Die Summe der Länge einer senkrechten Linie 32, die von dem vorderen Ende der Zwischenschaufel zu der benachbarten Statorschaufel 7a gezogen wird, und der Länge einer senkrechten Linie 30, die von dem hinteren Ende einer Zwischenschaufel 9 zu der benachbarten Schaufel 7b gezogen wird, wird bei einer Betriebsart mit großem Durchsatz gesteigert, während die Summe bei einer Betriebsart mit geringem Durchsatz verkleinert wird. Es wird beabsichtigt, denselben Effekt wie den der in Fig. 8 gezeigten Ausführung zu erhalten, bei dem der Durchsatzbereich um den Drosseleffekt vergrößert wird. Wenn diese Ausführung zusammen mit der Drehsteuerung der Unterschaufel 8 eingesetzt wird, kann ein besserer Effekt erzielt werden.
Wie in Fig. 10 gezeigt, sind Schaufelanordnungen 40 so an dem schaufelseitigen Diffusorgehäuse 5A angeordnet, daß sie in den Strömungskanal des Diffusors zwischen den Statorschaufeln 7 ragen. Jede Schaufelanordnung 40 hat, wie in Fig. 10 und 11 gezeigt ist, eine einlaßseitige Unterschaufel 40A von geringerer Sehnenlänge und Höhe als die der Statorschaufel 7, eine Gleichrichteschaufel 40B von geringerer Höhe als die der einlaßseitigen Unterschaufel 40A und auslaßseitige Zwischenschaufeln 40C, die mit der Gleichrichteschaufel 40B verbunden sind und dieselben oder ähnliche Abmessungen wie die der einlaßseitigen Unterschaufel 40A haben.
Da die einlaßseitigen Unterschaufeln 40A der Schaufelanordnungen 40 die Strömung entlang der Statorschaufeln 7 leiten, kann die Strömung an den Statorschaufeln 7 entlanggeführt werden, selbst wenn der Durchsatz klein oder niedrig ist. Daher kann die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Pumpphänomens vermindert werden, und der Betriebsbereich des Laufrades 1 kann vergrößert werden. Da die einlaßseitige Unterschaufel 40A wie oben beschrieben arbeitet, ist die Höhe der Unterschaufel 40A vorzugsweise so vorgesehen, daß sie im Bereich von 50% der der Statorschaufel 7 liegt. Da die einlaßseitigen Unterschaufeln 40A von dem schaufelseitigen Diffusorgehäuse 5A überragt werden, ist die vorstehende Höhe vorzugsweise gering, damit die Festigkeit gewährleistet bleibt. Daher ist sie geringer als die Höhe der Statorschaufel 7. Da die einlaßseitige Unterschaufel 40A den Strömungskanal verengt, wirkt die einlaßseitige Unterschaufel 40A wie ein Widerstand, wenn der Förderdurchsatz des Verdichters abgegebene Strömungsgeschwindigkeit den Auslegewert überschreitet. Unter diesem Gesichtspunkt ist auch die Höhe der Unterschaufel 40A vorzugsweise so gering wie möglich, sie liegt vorzugsweise innerhalb 70% der Höhe der Statorschaufel 7.
Eine starke Wirbelströmung 110 wird, wie in Fig. 11 gezeigt, an dem End- und Fußabschnitt der einlaßseitigen Unterschaufel 40A hervorgerufen, d.h. an deren stromabseitigen Ende. Die Energie der Wirbelströmung wird in Wärmeenergie umgewandelt und ruft einen Energieverlust hervor. Die insbesondere von dem stromabseitigen Ende des Fußabschnitts abgegebene Wirbelströmung stört die Strömung in dem Diffusor 5 und erzeugt so einen großen Verlust. Die stromab von den einlaßseitigen Unterschaufeln 40A angeordneten Gleichrichteschaufeln 40B dienen dazu, die Entstehung der Wirbelströmung an den Fußabschnitten der einlaßseitigen Unterschaufeln 40A zu unterdrücken, wodurch sie den Verlust vermindern. Da die Gleichrichteschaufel 40B zu dem Zweck vorgesehen ist, die Entstehung der Wirbelströmung zu verhindern, kann ihre Höhe so vorgesehen seine daß sie geringer als die der einlaßseitigen Unterschaufel 40A ist.
Die Stömung nahe des äußeren Umfangs zwischen den Statorschaufeln 7 wird insgesamt nicht näher entlang der Statorschaufel 7 geleitet, sondern näher entlang der Umfangsrichtung. Daher sind die auslaßseitigen Zwischenschaufeln 40C vorgesehen, um die Strömung entlang der Statorschaufeln 7 zu leiten, so daß die Leistung des Diffusors verbessert wird. Die Höhe der auslaßseitigen Zwischenschaufel 40C liegt vorzugsweise im Bereich von 50% der der Statorschaufel 7. Unter dem Gesichtspunkt der Gewährleistung der Steifigkeit liegt sie vorzugsweise innerhalb 70%.
Wie in Fig. 12 gezeigt, sind die Gleichrichteschaufeln 40B nicht nur an einer ersten Seite oder Fläche vorgesehen, die die Schaufelanordnung 40 hält, sondern auch an einer zweiten Seite oder Fläche, die der ersten Seite gegenüberliegt. In diesem Fall kann die Entstehung von Wirbelströmungen am stromabseitigen Ende der einlaßseitigen Unterschaufel 40A sowie an ihrem Fuß verhindert werden. Daher kann eine weitere Leistungsverbesserung erreicht werden.
Wie in Fig. 13 gezeigt, ist die Schaufelanordnung 40 an jeder Statorschaufel 7 in einer gegenüberliegenden Art und Weise vorgesehen. Die Höhe der Schaufelanordnung 40 ist halb so groß wie dJie der in Fig. 10 und 12 gezeigten Schaufelanordnung 40.
Verglichen mit Fig. 10 ist der Aufbau der in Fig. 14 gezeigten Ausführung vereinfacht, indem die auslaßseitige Zwischenschaufel 40C weggelassen ist. In diesem Fall können die Kosten des Diffusors verringert werden, obwohl sich eine geringe Leistungsabnahme nicht vermeiden läßt.
Gemäß dem in Fig. 15 gezeigten Aufbau werden die Gleichrichteschaufel 40B und die auslaßseitige Zwischenschaufel 40C weggelassen, d.h. nur die einlaßseitige Unterschaufel 40A ist vorgesehen.

Claims

1. Diffusor für einen Zentrifugalverdichter zum Umwandeln von kinetischer Energie eines von dem Laufrad (1) des Kompressors mit Überschallgeschwindigkeit abgegebenen Fluids in Druckenergie mittels einer Vielzahl von Statorschaufeln (7a, 7b) und Unterschaufeln (8, 40A) an dem Einlaßabschnitt des Diffusors, wobei

- die Unterschaufeln (8, 40A) zwischen den Statorschaufeln (7a, 7b) und nahe deren inneren Enden angeordnet sind,

- nur eine Seitenfläche der Unterschaufeln (8, 40A) den Statorschaufe1n (7a, 7b) zugewandt ist, und

- die Unterschaufeln (8, 40A) an Stellen angeordnet sind, die einen Kreis (10) schneiden,

- dessen Mitte der Mitte des Laufrades (1) entspricht und

- der durch die inneren Enden der Statorschaufeln (7a, 7b) geht,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Sehnen1änge der Unterschaufeln (8, 40A) beträchtlich kürzer als die entsprechende Sehne der feststehenden Statorschaufeln (7) ist und

- sich die Vorderkante jeder Unterschaufel (8) stromab von einer Linie befindet, die von der Vorderkante der jeweiligen zugewandten Statorschaufel (7a) senkrecht zu dieser Statorschaufel (7a) gezogen wird.

2. Diffusor nach Anspruch 1, bei welchem jede Unterschaufel (8, 40A) angeordnet ist, die eine senkrechte Linie (11) nicht schneidet, welche zu einer der Statorschaufeln (7a) an dem inneren Ende der einen Statorschaufel (7b) gezogen wird, die der Unterschaufel (8, 40A) gegenüberliegt.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Unterschaufel (8) von einem Lagerschaft (29) drehbar gehalten ist, der parallel zu der Drehwelle (2) des Laufrads (1) angeordnet ist.

4. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Abstand zwischen dem inneren Ende der Unterschaufel (8) und der Statorschaufel (7a), die der Unterschaufel (8) gegenüberliegt, und der Abstand zwischen dem äußeren Ende der Unterschaufel (8) und der Statorschaufel (7b) so vorgesehen sind, daß sie unterschiedlich sind.

5. Diffusor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Zwischenschaufeln (9, 40C),

- die in der Nähe der äußeren Enden der Vielzahl von Statorschaufeln (7, 7a, 7b) und zwischen ihnen angeordnet sind,

- deren Sehnenlänge kürzer als die der Statorschaufeln (7, 7a, 7b) ist,

- von denen jede sich durch den Mittelpunkt einer senkrechten Linie (12) erstreckt, die von einem äußeren Rand der Statorschaufel (7a) zu der benachbarten Statorschaufel (7b) oder zu einer Verlängerung der benachbarten Statorschaufel (7b) gezogen wird,

- deren äußerer Rand einen Kreis (13) erreicht, der durch einen äußeren Rand der Statorschaufel (7, 7a, 7b) geht,

- wobei die Länge jeder Zwischenschaufel (9, 40C), die innerhalb des Mittelpunkts der senkrechten Linie (12) angeordnet ist, innerhalb 20 % der Gesamtlänge der Zwischenschaufeln (9, 40C) liegt, und

- die Gesamtform jeder Zwischenschaufel (9, 40C) so ausgebildet ist, daß, wenn man annimmt, daß die Zwischenschaufel (9, 40C) drehbar um das Zentrum einer Drehwelle (2) des Laufrads (1) verschoben wird, die Zwischenschaufel (9, 40C) in einer Kontur der Statorschaufel (7, 7a, 7b) eingeschlossen ist.

6. Diffusor nach Anspruch 5, bei welchem die Zwischenschaufeln (9) von einem Lagerschaft (31) drehbar gehalten ist, der parallel zur Drehwelle (2) des Laufrads (1) angeordnet ist.

7. Diffusor nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem der Abstand zwischen dem inneren Ende der Zwischenschaufel (9) und der Statorschaufel (7a), die der Zwischenschaufel (9) gegenüberliegt, und der Abstand (30) zwischen dem äußeren Ende der Zwischenschaufel (9) und der Statorschaufel (7b) so vorgesehen ist, daß er unterschiedlich ist.

8. Diffusor nach Anspruch 1 und 5 mit oder ohne Einschluß eines der Ansprüche 2 bis 4 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einlaßseitige Unterschaufel (40A) eine Höhe hat, die kleiner ist als die der Statorschaufel (7).

9. Diffusor nach Anspruch 8, bei welchem eine Gleichrichteschaufel (40B) stromab von der einlaßseitigen Unterschaufel (40A) angeordnet ist und eine Höhe hat, die kürzer ist, als die der einlaßseitigen Unterschaufel (40A).

10. Diffusor für einen Zentrifugalverdichter nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem die auslaßseitige Zwischenschaufel (40C), die stromab von der Gleichrichteschaufel (40B) angeordnet ist, eine Höhe hat, die der der einlaßseitigen Unterschaufel (40A) entspricht oder zu ihr ähnlich ist.

11. Diffusor eines Zentrifugalverdichters nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welchem die Anordnungen (40), von denen jede aus einer einlaßseitigen Unterschaufel (40A), einer Gleichrichteschaufel (40B) und einer auslaßseitigen Zwischenschaufel (40C) besteht, in dem Diffusorabschnitt in einer gegenüberliegenden Art und Weise vorgesehen sind.