DE3127214C2

DE3127214C2 - Diffusor für einen Überschallzentrifugalverdichter

Info

Publication number: DE3127214C2
Application number: DE3127214A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Palaiseau Kergreis; Yves Ribaud
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1981-07-10
Publication date: 1987-04-23
Also published as: US4445816A; DE3127214A1; GB2079853A; FR2487018B1; CH642148A5; FR2487018A1; GB2079853B

Abstract

Ein Überschall-Zentrifugalkompressor weist einen Schaufeldiffusor und einen Rotor auf, um einem Fluid eine absolute Geschwindigkeit von wenigstens Mach 1,2 zu geben. Der Diffusor umfaßt eine Mehrzahl von Schaufeln (13), die in einem Gehäuse getragen und regelmäßig winklig verteilt sind und Schaufelzwischenkanäle (14) begrenzen, welche einen Kragen an der Vorderkante der Schaufel bilden. Jeder Schaufelzwischenkanal ist mit zwei wandseitigen Spalten (17) ausgerüstet, die beidseitig über den Kragen des Kanales überstehen. Alle die auf der gleichen Seite eines Kanales angeordneten Spalte kommunizieren mit einem gemeinsamen Sekundärvolumen über Durchgänge, deren Fläche wenigstens gleich derer der Spalte ist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Diffusor für Überschallzentrifugalverdichter der im Gattungsbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art, wie er in der DE-OS 28 50 452 offenbart ist.
Eine ähnliche Lösung ist auch aus der US-PS 41 31 389 bekannt. Beide bekannten Diffusoren für einen Verdichter weisen im Bereich der Schaufelkanäle Randspalte auf, die mit Sekundärvolumina bzw. Kammern verbunden sind. Dabei dienen diese Spalte entweder dafür, den Druck, der in den unterschiedlichen Zwischenkanälen herrscht, auszugleichen, so insbesondere in der US-PS 41 31 389 oder aber um die Grenzschicht abzusaugen, so u. a. etwa in der DE-OS 28 50 452.
Bei beiden bekannten Lösungen ist nicht sichergestellt, daß ein Kompressionsstoß in jedem Schaufelkanal, wie er bei Überschalldiffusoren auftritt, stabilisiert werden kann.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, diesen Kompressionsstoß in jedem Schaufelkanal zu stabilisieren, so daß bei jedem Leistungsverhältnis eine optimale Arbeitsweise des Verdichters gewährleistet ist, ohne daß es zu einem leistungsmindernden Pumpen im Kompressor kommen könnte.
Mit einem Diffusor der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Spalte einander gegenüberliegen und sich beiderseits über den Kragen in Strömungsrichtung gesehen hinauserstrecken und daß der Querschnitt jedes Spaltes wenigstens gleich der Hälfte des kleinsten Querschnittes des Schaufelkanales ist.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Probleme, die bei Überschalldiffusoren auftreten können, mit baulich einfachen Mitteln gelöst wurden, d. h. der beanspruchte Diffusor kann ohne Schwierigkeiten im Überschallbereich arbeiten. Mit der Erfindung können Machzahlen von über 1,2 überschritten werden, was einen großen Leistungsbereich für einen entsprechenden Überschallverdichter ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß jeder Spalt genau symmetrisch in bezug auf den geometrisch engsten Querschnitt eines Schaufelkanales angeordnet ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 die Anordnung eines Spaltes in einem Verdichter nach der Erfindung,
Fig. 2 in größerem Maßstab einen Ausschnitt aus Fig. 1,
Fig. 3 und 4 Ansichten bzw. einen Schnitt, der der Lauffläche und einem Meridialschnitt folgt, eines ersten Ausführungsbeispieles,
Fig. 5 in der Darstellung gemäß Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 ein Prinzipschema, welches bei einem erfindungsgemäßen Verdichter im stationären Bereich den Ort des Verdichtungsstoßes in bezug auf die Spalte zeigt,
Fig. 7 und 8 ähnlich Fig. 6, die angenommenen Lagen des Verdichtungsstoßes bei unterschiedlichen Betriebssituationen und in
Fig. 9 eine Kurve, welche die Veränderungen der Druckverhältnisse in einem Verdichter in Funktion der verminderten Leistung zeigt.
Die Ausführungsbeispiele weisen für jeden Schaufelkanal 14 zwei wandseitige Spalte bzw. Schlitze 17 auf, welche beidseits des aerodynamischen Kragens (engster aerodynamischer Kanalquerschnitt) angeordnet sind. Dieser Kragen kann wegen der Verdickung der Grenzschicht in Strömungsrichtung nicht genau mit dem geometrischen Kragen Sc vereinigt werden, sie liegen allerdings sehr nahe beieinander. Die Bedingung wird, vorgegeben durch die notwendige Länge für die Schlitze, in Strömungsrichtung immer erfüllt, wenn man den Schlitz ungefähr symmetrisch in bezug auf den geometrischen Kragen anordnet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine mögliche Stelle eines Schlitzes 17. Dieser befindet sich hinter der Eingangszone des Diffusors, entsprechend zu dem von dem Bogen 18 überdeckten Bereich, begrenzt durch die gestrichelte Linie 19 und in die Zone des Kragens eingreifend, wo der Kanal parallel oder in einem sehr geringen Maße divergierenden (in der Größenordnung von 2 Grad z. B.) Flächen aufweist, um die Verdickung der Grenzschicht zu kompensieren. Der Schlitz 17 steht in gleicher Weise über einen divergierenden Bereich des Kanales über, vom Kragen S _c an, dessen Divergenz α im allgemeinen in der Größenordnung von 5 Grad ist.
Jeder Schlitz 17 füllt die ganze Breite des Schaufelkanales aus. Die Länge "l" in Strömungsrichtung ist gleich oder größer als die Hälfte der Höhe des Diffusors. Auf diese Art und Weise ist die Gesamtdurchtrittsfläche, welche von den Schlitzen 17 bereitgestellt wird, wenigstens gleich der minimalen Durchtrittsfläche des Diffusors. Dies wird vorteilhafterweise in der Weise realisiert, daß die Länge des Kragenbereiches, die von der Linie 19 bis zur Minimumsektion S _c geht, ungefähr gleich der Hälfte der Länge des Kanales am Ende bis zur Eintrittszone ist.
Die Schlitze, die auf der gleichen Seite des Kanales angeordnet sind, sollen alle mit einem Sekundärvolumen verbunden sein. Bei dem Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, umfaßt das Sekundärvolumen, welches den auf der gleichen Seite des Schaufelkanales angeordneten Schlitzen zugeordnet ist, zwei parallele Sekundärkanäle an den Schaufelkanälen, die leicht divergent ausgebildet und durch ringförmige Nuten verbunden sind.
Man sieht in Fig. 3 und 4, daß die Schlitze 17, welche auf der Seite der Welle 21 des Rotors 25 angeordnet sind, sich je einem Sekundärkanal 22 öffnen, der in dem Gehäuse 20 des Kompressors angeordnet ist. Diese Sekundärkanäle öffnen sich in eine ringförmige peripherische Nut 23, die allen Kanälen 22 gemeinsam zugeordnet ist.
In ähnlicher Weise führen die Schlitze 17 a, die auf der Seite 24 des Rotors 25 angeordnet sind, in Sekundärkanäle 22 a, die in eine peripherische, ringförmige Nut 23 a hinaustreten. Durch Löcher 27 (Fig. 3) stehen die ringförmigen Nuten 23 und 23 a in Verbindung. In Abwandlung davon kann vorgesehen sein, daß die Löcher 27 fehlen.
Der Querschnitt der Durchgänge, die die Spalte bzw. Schlitze miteinander verbinden, muß in der Weise dimensioniert werden, daß sich überhaupt keine Stoßwelle bildet. Hierzu ist es notwendig, daß die Durchtrittsflächen an jeder Stelle wenigstens gleich dem Querschnitt des Schlitzes sind. Damit andererseits jedes Register von Schlitzen 17, 17 a, während eines kurzen Augenblickes die gesamte Strömungsmenge ableiten kann, welche die entsprechenden Schaufelzwischenkanäle 14 durchströmt, versieht man vorteilhafterweise zwei Schlitze mit einem Querschnitt, welcher größer ist als derjenige des Kanales am engsten Querschnitt, vorzugsweise 20% größer. Die Spalte 17 und 17 a sind annähernd symmetrisch einer zum anderen in bezug auf die Meridianebene des Kanales ausgerichtet.
In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Fig. 5 dargestellt ist, münden die Spalte 17 und 17 a nicht mehr in Sekundärkanäle, sondern in entsprechende ringförmige Sekundärräume 28 und 28 a, begrenzt durch rechtwinklig zur Rotationsachse stehende Ebenen. Diese Volumen sind im Gehäuse auf der Rotorwellenseite und auf der Rotoreingangsseite ausgespart und über Durchgänge verbunden, deren Durchtrittsfläche wenigstens gleich derjenigen der Spalte ist.
Die Wirkungsweise ist die folgende:
Der betrachtete Verdichter ist mit einem Rotor ausgerüstet, dessen Machzahl relativ zum Eintritt ungefähr 1,3 an der Spitze der Schaufel beträgt. Es sei dabei unterstellt, daß die absolute Machzahl am Eingang des Diffusors in der Größenordnung von 1,4 ist.
Wenn der Diffusor mit Schlitzen und Sekundärvolumina entsprechend der Erfindung ausgerüstet ist, ergibt sich in Bezugnahme auf Fig. 6-8 folgende Wirkungsweise:
Wenn die Gegendruckdrossel 29 genügend weit geöffnet ist, so daß der Verdichtungsstoß 15&min; stromabwärts der Spalte 17 (Fig. 6) gelagert ist, ist der Zustand ähnlich demjenigen eines herkömmlichen Verdichters. Der Verdichtungsstoß 15&min; ist in einer stabilen Lage, verbunden mit einem mittleren Druckwert im Volumen 30, welches zwischen dem Diffusor und der Drossel 29 liegt. Im Falle des weiter obenerwähnten Beispieles ist der entsprechende statische Druck in der Größenordnung von 0,3 π, wobei π der Haltedruck stromaufwärts des Diffusors bedeutet.
Wenn man nunmehr unterstellt, daß man die Strömung durch teilweises Schließen der Drossel 29 drosselt, verlagert sich der Verdichtungsstoß 15 leicht stromaufwärts gegenüber dem Spalt 17, aber bleibt stromabwärts vom Kragen (Fig. 7). Die Hauptströmung (d. h. in Richtung des stromabwärtigen Volumens 30) im Bereich der Spalte 17 ist daher getragen von einem ungefähr gleichen Druck mit 0,7 π. Der Unterschied zwischen dem Druck in der Hauptströmung und dem Druck in der Sekundärvoluminia, wo ein statischer Druck von 0,3 π herrscht, ist so, daß die Spalte 17 während einer kurzen Zeitperiode δ t engste Querschnitt bilden, wodurch ein großer Teil der Hauptströmungsmenge in die Sekundarvoluminia eintritt.
Während dieser Periode wird die Gegendruckdrossel 29 , die wegen des großen Druckverhältnisses zwischen dem Volumen 30 und dem Durchsatz in gleicher Weise einen sonischen Kragen bildet, von einem konstanten Ausstoßdurchsatz durchströmt.
Der Druck im stromabseitigen Volumen 30 verringert sich leicht, da die Zufuhr von Fluid, welches vom Rotor kommt, nicht mehr die Strömungsmenge zusammendrückt, die die Drossel 29 durchströmt. Diese Druckverminderung bringt den Verdichtungsstoß 15&min; in eine Position stromabwärts der Spalte 17 zurück. Sobald dieser Verdichtungsstoß stromabwärts an den Spalten 17 vorbei ist, entweicht eine zusätzliche Strömungsmenge stromabwärts aus dem Sekundärvolumen, was mit einem Pfeil in Fig. 8 dargestellt ist. Der Druck im stromabwärtigen Volumen 30 beginnt nunmehr von neuem anzusteigen und bringt den Verdichtungsstoß 15&min; wieder stromabwärts bezogen auf den Spalt.
Man sieht, daß von einem vorbestimmten Gegendruck an, welcher ein Pumpen bei Abwesenheit der erfindungsgemäßen Einrichtung veranlaßt, der Verdichtungsstoß von einer Seite zur anderen Seite des Spaltes 17 oszilliert, so daß diese Betriebsart das Pumpen vermeidet.
Um diese Bedingungen aufrecht zu erhalten, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
Die Variationskurve des Kompressionsverhältnisses der Stufe (Gesamtheit Rotor/Diffusor) der reduzierten Leistung muß eine negative Neigung haben, wie in Fig. 9 dargestellt. Weil die Variationskurve des Wirkungsgrades E des Diffusors entsprechend der Erfindung als Funktion der Volumemleistung (Volumendurchsatz) eine positive Steigung in den Regionen C&min;B&min; aufweist, wo der Verdichtungsstoß um den Spalt oszilliert, kann diese Bedingung nur erfüllt werden, wenn die Variationskurve des Druckverhältnisses, erzeugt vom Rotor, in Funktion zur reduzierten Leistung, eine ausreichend negative Neigung aufweist. Dazu hat man veranlaßt, die Blätter des im hinteren Bereich anzustellen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Gleichwohl wird diese Bedingung dann erfüllt, wenn der Rotor leistungsblockiert ist.

Claims

1. Diffusor für einen Überschallzentrifugalverdichter mit Diffusorleitschaufeln, die Schaufelkanäle begrenzen, welche stromabwärts der Schaufelvorderkanten einen Kragen (engsten Kanalquerschnitt) bilden, wobei jeder Schaufelkanal mit wenigstens zwei Wandspalte versehen ist, die sich im Bereich des engsten Querschnittes erstrecken und jeweils alle auf der gleichen Seite des Schaufelkanals angeordnete Spalte mit einem gemeinsamen Sekundärvolumen durch Öffnungen, deren Querschnitt überall wenigstens gleich dem der Spalte in jedem Schaufelkanal ist, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (17) einander gegenüberliegen und sich beiderseits über den Kragen (Sc) in Strömungsrichtung gesehen hinauserstrecken (Erstreckung 1) und daß der Querschnitt jedes Spaltes (17) wenigstens gleich der Hälfte des kleinsten Querschnittes des Schaufelkanales (14) ist.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spalt (17) genau symmetrisch in bezug auf den geometrisch engsten Querschnitt eines Schaufelkanales (14) angeordnet ist.