DE1628227A1

DE1628227A1 - Diffusor ohne Leitschaufeln

Info

Publication number: DE1628227A1
Application number: DE19661628227
Authority: DE
Inventors: Soo Shao Lee
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1965-10-08
Filing date: 1966-07-04
Publication date: 1971-02-04
Also published as: US3289921A

Description

Diffusor ohne ILeitschauf ein

Die vorliegende Erfindung besieht sich auf den Diffusorabschnitt eines ¥eTdicn1;ers oder einer !Turbine und insbesondere auf eine verbesserte Kontur der Diffusorwände zwecks Steigerung des Wirkungsgrads eines Verdichters oder dergleichen·

Fach dem Stand der Technik sind.Diffusoren ohne Jieitschaufein entweder^ mit^^ parallelen Vfiinden, auseinenderlaufenden Wänden oder mit einer gebietsweisen Ausbildung für gltioiibjelbeijdtii KIuB gelertig^ wordear ohne Bö^siont auf die; ipeai,·!!*_; ^:J«hf^e<^in|i_; d#rf ^teeschiolii^biopiing und ' der begleitenden Wandreibungsverluete. "■ ■ ;' ;■ ^:--~:?>~;., .

/"-At- let eiä 2t*l d·» vorliegenden Erfindung, einen Diffueor ohne Leitschaufeln au eohaffen, dessen Konturen speziell *uf die Erreichung eine« Höchatwirkungsgrada bei mögliohat geringe» Verlust infolge Reibung und Wärme berechnet eind. „ -

Patentanwälte DipJ.-lng. Martin lieh», Dipl.-Wirtidi.-lno. Axel Hanimann, Dipl.-Phyi. Sebastian Herrmann I MÖNCHEN %, THEtESIiNlTHAiSI 33 · T«Mmi392102 · T«l«gramm-Adr«u·. Upatll/MOndiM

BankvaiUirfüngMi Dwhdw lenk AO, RIIaI* AMndiM, Dop.-Keii» Vikhiallanmortt, Κοηί»·Μτ. ΤήβΟΙ Bay»r.Vtr«intfconkMOnd>.n, Zw«!gst. Oikar-ten-Mlllw-mna.tCto.-Nr. 1134« · PofhdiKk-Konfo. MOneMn Nr. 143J»7

BAD

Die Erfindung ist hier im Zusammenhang mit einem *^; Hadiaiflußverdichter offenbart, ist aber ebenso nützlich'-bei Axial- und Halbaxialverdichtem oder -turbinen*

Die Art, nach der die Erfindung praktisch ausgeführt wird, läßt sich am besten aus der folgenden Beschreibung verstehen, bei der Bezug auf die Begleit zeichnungen ge-.,_ _: nommen wird.

Figur 1 ist ein Axialschnitt durch einen typischen Radialverdichter; sein Diffusor ist als Muster der vorliegenden Erfindung ausgeführt.

Figur 2 ist ein Teilschnitt und zeigt ein abgewandeltes Diffusorprofil.

Die Figuren 5 bis 6 einschließlich sind schematische

Ansichten und veranschaulichen für ein Fluidum typische Flußverteilungsbilder durch einen umgrenzten Raum, wie z.B. durch einen Diffusor»

Figur 7 ist eine vergrößerte Anficht des Diffusorprofils der Figur 1 i» Schnitt und selg^ an verschiedenen Stellen darin Flußrerteilungabi!der,

figur 8 ist ein Diagram des örenzacfeiefttparaaeter* G als jPtoüctien des erenxaohichtparaaeters I^ . -"-- ' - ·- . -

Der in Figur 1 dargestellte Verdichter enthält ein Gehäuse 10 und eine Welle 12, die »ur Drehung eines auf ihr sitsenden Laufrade 14 durch nichtgeaeigte Mittel angetrieben wird; das Laufrad hat Laufschaufeln 15. Das zu verdichtende Fluidu» tritt in das Gehäuse parallel zur Wellen- achee von linke in Figur 1 gesehen ein und wird durch das · Laufrad verdichtet und radial nach außen durch einen ring-

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formigen Diffusor ohne Leitschatifein gelenk*, der in Figur 1 "bei 16 gezeigt Ist* In Figur 1 entsprechen beide Diffusqrwände dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung. In figur 2 ist eine Abwandlung 16' gezeigt, in der ein ähnlicher Diffusor mit einer ebenen Wand dargestellt ' ist; seine andere Wand hat Konturen, um ein ähnliches Ergebnis zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung gründet sich auf die Berechnung eines Diffusorprofils durch .anwendung an.-sich bekannter Formeln mit dem Ziel eines Zustande besten Flusses durch den größten Teil der Diffusorlänge. Der Wirkungsgrad des iluidumflusses durch einen umgrenzten Baum wird erheblich durch ärenzschichtvoraussetzungen für die wirkung des Fluidums in der Näheder Raumwände bestimmt. Einige Grenzschichtzustände sind In den Figuren-3-bis-~6. "einschließlich veranschaulicht, die Geschwindigfceitspröfile eines innerhalb der Durchgangswände fließenden Fluidums zeigen. »Vie die Figuren 3, 4 und 5 erkennen lassen, ist der Fluß in dem Haupt- oder Llittelteil des Fluidumstroms verhältnismäßig gleichförmig, während die Grenzschichtoder der Fluß in der Nähe der Durchgangswände sich beträchtlich unter verschiedenen Voraussetzungen der Geschwindigkeit« des Drucks, der temperatur, der Dichte und anderer Faktoren verändert.

Unter gewissen Bedingungen besteht eine tinabgelöste Grenzschicht mit einem Geschwindigkeitsgradienten in der Näh· der Wände von weniger als 90^j dlee ist in Figur 4 verenachaulicht und bedeutet hohe fieibung und Umwandlung

kinetischer Energie in vfärme_o Die Figur 5 stellt eine Bedingung dar, dis¹ zwar eine; abgelöste- Grenzschicht bedeutet, bei der;- jedoch der Gradient größer- als 90° ist und eine Umkehrkurve im Geschwindigkeits-profil, entsteht.. Diese Umkehrkurve: ist durch die Vergrößerung in Figur 6 zu sehen und veranschaulicht im Geschwindigkeitsprofil, die Flußumkehr.,, die. einen noch größeren. AhfäüIL im wirkungsgrad und im Flußumfang bedeutet: als^ die> in Figur Λ veasan,— schaulich.fee. Bedingung«

Die besten- Bedingungen sind! im Figur.: 5- dargestellt _r. die. dies nahe: bevorstehende Gr enzacliich tab lösung mit eineaEi Gradienten in 7/andnä-Ete von etwa- 9Q^ vtiranBeihauli.cJat-«

Die vorliegende Erfindung, ateicict gpurEälsätzlleii in dear Schaffung; eines DIffusers, derr- über; dem· größten Teil seiner ' Mnge das wirksame GeschWindigksiiispraf 11 der Type- atifweist, die in Figur J veranschaulicht ist. Dies wird bewerkstelligt durch eine Kontur der Diffusoücw-and, die nach den in Figur· dargestellten Bereichen 18, IS und 2G zunächst zusammen, dann auseinander und schließlich wieder zusammenläuft.

Das durch die Strecke 1;S in Figur 7 dargestellte Gebiet hat einen zusammenlaufenden querschnitt, der vorgesehen ist, um bis zu einem Verengungspunkt 21: beschleunigung hervorzubringen ; diese Beschleunigung setzt die. »<irbelung herab, die durch die laufschaufeln 15 des Verdichters entstanden ist. £>as Gebiet 19 hat einen'auseinanderlaufenden Querschnitt und bewirkt daher ein Äuseinanderfließen bis zum l*unkt ■ 22, wo eine nahe bevorstehende Grenzschichtablösung erreicht wird. Über diesen Punkt hinaus und bis zum Austrittspunkt,

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also im Gebiet 2Ö, sind die DIffiUSflorwänd« in ihren Konturen so ausgebildet, daß sie den ^Ζαιstand nahe bevorstehender Grenzschichtablösung auf rech täerhalten_;, wie es durch die drei typischen GeschwindigkeitsprBfiIe 25, 2β und 27 tu diesem Gebiet dargestellt ist*

Es folgt eine Anwendung bekannter Forraelai zur Darstellung der einzelnen Berechnungen bei der Herstellung des Diffusor-ρτοϊΠβ für optimale Strömung» Es können andere Verfahren zur Erzeugung ähnlicher Profile ebenfalls verwendet werden* A, Jiomenkiatux:

lter DIffusorkanal wird durch die zylindrischein Koordinaten T₃ 13» und 2 angegeben. Die entsprechenden Durchsehnittsge— schwindigkeitskomponenten sind If, V und W. Die Anströmbedlhgungen außerhalb der Grenzschichten in der Nähe der Wand sind gekennzeichnet durßh fehlende Indizes; die Bedingungen innerhalb der GrenzseMehten warden durch den Index B angegeben; die Bedingangen an der Wand werden durch den Index W dargelegt; die Anströmbedingungen am Einlaß werden durch Indei I yieder« gegeben. _; _-.... ■. ;\- :,.. ,'-.-- -," J_ _: ; ; V- .

Die StrÖiiungseigenschaften sind:

Druck P ;■-;-;" Γ.-ν.-^:.■.."'■■; ·■ :;:'_■■·'■"''-■■ ~^:.~'w: ν ^Γ -

Dichte P *

Temperatur t, ' ·' ^

bynamische Visicosität p- .

Kinematische Viskosität "V*

Dicke der Grenzschicht S -

Scherbeanspruchung der Wand durch radiale Turbulenz T_y Radiale Machzahl N4-

BAD ORIGINAL

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D. Gleichungen der Strömungsmechanik:

Unter Anwendung der Gleichungen von Navier-Stokes und der Beibehaltung- der Masse in zylindrischen Koordinaten ist unter Annahme einer steten, verdichtbaren und achssyrametrisehen Grenzschichtströmung folgende Integralgleichung der Bewegungsgröße gegeben:

WO

U- ■·

und

Bei Urweiterung des bekannten Verfahrens von Buri für zweidiraensionaie, nicht verdichtbare Strömung wird Folgendes

0098 8 6/0581 bad original

?■-

von (JTe ic linn sr (l) abgeleitet:

- Jk f

	tHr-ί	>!? +	Se	" - '--
	fir ⁵-		,.075/
*=.017*

-Γ —-fi-'-V-

v.{d_v

Hei KiufUsunc: der Def itti t i on von Tj in iiteiclmnii (2) entsteht eine lineare'"-ftleichuns: erster Ordnuna- in Y- :

dr

Yr =.0/7

Die Integration der Gleichuns (3) ergibt für

009886/05SI

BAD

ir "~

Und K ist eine Integrationskonstante. C. Diffusorprofil:

Die-Lösung der Gleichung (4) kann durch U, V und G als Funktionen von r und durch die nötige Integration erreicht werden. Die Konstante K erhält man, wenn man einen bestimmten Wert von 7_r bei r = r, vorschreibt.

Beispielsweise sei U gegeben durch:

-Ι

I (Erhaltung der Masse)

_r L-

Wo L der Abstand der Diffusorwände ist sei V gegeben durch:

(freie Turbulenz)

X ίϋ -

G kann aus Figur 8 entnonoen werden. Bei eiriem bestimmten r > wird ia Annäherungsverfahren T^. für das besondere L ermittelt Bei Verwendung der Werte vonjBuri ist TJ auf den Bereich beschränkt:

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Tr

- .0033 " a -.06

(Stillstand) (Ablösung*)"

Das in Figur 7 dargestellte Diffusorprofil erreicht man, wenn man den Wandabstand L im Bereich 18 gemäß folgender Gleichungen bestimmt: " "'

W* r-

(5)

Aus der NACA Technical Note 1426

tan I=

und

.ta«.._4i= -ψ

r_o1 s Radius der Einschnürung 21

L₂₁ = Wandabstand bei der Einsöhnürung 21

Die Maße r₂₁ und L-. werden durch die gewünschten AusfUhrungsbedingungen. des Diffusors bestimmt, wie durch den MassendurcMsatz und durchtdas* Drüekverhältnls.

. - Das Di/ftuaorprofil imtBevreich 19 kann auch* gemäß der NACA

„ fe,ehnlcaI J ?

182&227

Der Wert T kann zwischen 4 und 10 Grad variieren.

Die Vorausberechnung von L im Bereich 19 ist beendet, wenn TL aus Gleichung (4) den bevorstehenden AblösuniiSwert von nahezu - 0,055 erreicht. Der Wandabstand im Bereich 20 wird "errechnet, wenn man den Ausdruck Ty = - 0,055 konstant hält, um die bevorstehende Ablös,ungi{de,E Grenzschicht der Diffusorentladung aufrechtzuerhalten.

Der Gang der Profilberechnung läßt sich beispielsweise unter Heranziehung folgender Literaturstellen verfolgen.

1. H.Schlichting, "Boundary Layer Theory," McGraw-Hill, 1955.

2. S. Pai> "Viscous Flow Theory", Van Nostrand, 1957.

3. NACA Technical Note 1426, 1947.

Andere Rechenverfahren könnten benutzt werden, um die in Figur 7 allgemein dargestellte Form eines Diffusors ohne Ablösung und ohne Leitschaufeln zu erhalten. Der Diffusorfl.uß könnte auch unstetig oder unsymmetrisch sein. Die Grenzschichten könnten sowohl laminar als auch turbulent sein. Der Fluß könnte axial wie der Austritt aus einer Axialturbine oder in irgendeinem Zwischenwinkel mit Bezug auf die Welle 1.2 verlaufen. .

^■cölda

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Claims

P ATE NT A N W A LT E DipL-lng. MARTI N LICHT

PATENTANWÄLTE LICHT. HANSMANN₁ HEiIMANN «Γ. R E I N HO L D SGH M I D T

SMONCHENI-THEItESIENSTIASSEJS iv ι w^.j_ ' ι * v t ■ u i'n^:- .« λ "».·

Dipi.-Wirfsch.-Ing. AXEL HANSMANN

41 Dipl-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

Mönchen, den 4. Juli 19ü6

IhrZcifiwn . _; Unitr Zeichen

CATERPILLAR THACTpR CO.,

oan Leandro, Kalifornien, V· 3t. A.

Patentanmeldung: "Diffusor ohne Leitschaufeln¹¹

Pat e nt an s ρ r ü c he:

ίΐ.ί Ein Diff usordurchgang in einem Fluidumsyetem, dadurch gekennzeichnet, daß er (16, 16') in seinen Konturen dem Grundsatz der nahe bevorstehenden Grenzschichtablösung entspricht (Figuren 1 bis 3)· ·
2. Ein Diffusordurchgang in einem Fluidumsystem, dadurch gekennzeichnet, daß er (16) an seinem Eintritt ein Gebiet (18) zusammenlaufender Wände (bis 21) hat, daß er somit die Flußturbulenz herabsetzt, daß er daran anschließend einen Abschnitt (19) mit auseinanderlaufenden Wänden bis zu einem Punkt (22) hat, daß an diesem ein Zustand (25) erreicht wird, in dem die Grenzschichtablösung nahe bevorsteht, und daß eine fortgesetzte Wandausbildung (20) der Äufrechterhaltung eines Zustande (26, 27) nahe bevorstehender Grenzschichtablösung bis zum Austrittspunkt des Diffusors dient.

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3. Ein Diffusor ohne Leitschaufeln an der Austrittseite eines Kreiselverdichters mit den Kennzeichen des Anspruchs 2 und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt die Turbulenz des aus dem Verdichter (14, 15) kommenden Flusses vermindert wird.

^ΒΑΰ on,

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