DE60310921T2

DE60310921T2 - Diffusor mit gesonderten kanälen

Info

Publication number: DE60310921T2
Application number: DE60310921T
Authority: DE
Inventors: Douglas Cambridge ROBERTS; Andre St. Bruno LEBLANC; Suresh Oakville KACKER; Peter Mississauga TOWNSEND; Ioan Brossard SASU
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: CA2483380C; JP2005524800A; EP1507977A1; DE60310921D1; EP1507977B1; WO2003095843A1; JP4047330B2; US7628583B2; CA2483380A1; US6589015B1; US20050118019A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft generell Zentrifugalverdichter und insbesondere einen Diffusor für einen Zentrifugalverdichter.
Hintergrund der Erfindung
Zentrifugalverdichter haben eine weite Vielzahl von industriellen Anwendungen und luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen, einschließlich Gasturbinenmaschinen, Fluidpumpen und Luftverdichter. Zentrifugalverdichter bestehen generell aus mindestens zwei Hauptkomponenten: einem Laufrad und einem Diffusor.
Rohrdiffusoren, die generell umfangsmäßig beabstandete, kegelstumpfförmige diskrete Passagen haben, werden häufig verwendet, um diese Zwecke zu erfüllen. Typischerweise sind die radial verlaufenden Passagen aus der Radialrichtung mit einem Winkel angeordnet, so dass deren Mittellinien alle tangential zu einem einzigen Tangentialkreis sind. Ein zum Teil leitelementfreier Raum wird deshalb zwischen dem Tangentenkreis und einem äußeren Vorderkantenkreis gebildet, wo die Passagen aufeinander treffen. Der Schnittbereich von kreisförmigen Rohrdiffusorpassagen bildet symmetrisch positionierte elliptische Vorderkantenkammbereiche, die an dem Vorderkantenkreis gebildet sind. Wenn ein derartiger Diffusor um ein Laufrad herum angeordnet ist, gelangt die Austrittsströmung von dem Laufrad in den Diffusor an dem Tangentenkreis, strömt durch den zum Teil leitelementfreien Raum und gelangt in die diskreten Passagen des Diffusors.
Eine Ursache von Zentrifugalverdichterdruckverlusten, welche negativ die Verdichtereffizienz und deshalb die gesamte aerodynamische Leistung des Verdichters beeinträchtigen, sind jegliche Fehlanpassungen zwischen den Laufrad-Austrittsströmungswinkeln und den Einlasswinkeln des Diffusors. Da die Verteilung der Laufradfluidaustrittswinkel von der Laufradnabe zu dem Kranzende der Laufradleitelemente nicht gleichförmig ist, folgt, dass Idealerweise die Vorderkanten der Diffusorpassagen so geformt sind, dass sie ein korrespondierendes Profil von Einlasswinkeln schaffen. Traditionell verwendete Diffusorrohre, die einen kreisförmigen Querschnitt haben, formen generell ovale Diffusorpassagenvorderkantenränder, die eine derartige ideale Anpassung zu den Laufradfluidaustrittswinkeln nicht leisten. Eine Diffusoranordnung des Stands der Technik ist in WO0206676 beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Diffusor bereitzustellen, der zum Verbessern der Verdichtereffizienz fähig ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einströmanpassung zwischen den Laufradaustrittsluftwinkeln und den Diffusorvorderkantenwinkeln zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Diffusor zur Verwendung mit einem strömungsaufwärtigen Laufrad in einem Zentrifugalverdichter gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung genommen in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen ersichtlich, für die gilt:
1 ist eine Axialschnittansicht einer Gasturbinenmaschine mit einem Zentrifugalverdichter und dem Diffusor der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Teil-Axialschnittansicht des Zentrifugalverdichters und -diffusors von 1.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer diskreten Diffusorpassage des Diffusors von 2.
4a ist eine perspektivische Teilansicht des Diffusors von 2.
4b ist eine detaillierte Ansicht von 3a der Vorderkanten der diskreten Diffusorpassagen des Diffusors von 2.
5 ist eine perspektivische Teilansicht des Diffusors von 2.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Es wird auf die 1 Bezug genommen. Eine Gasturbinenmaschine 6 weist einen Verdichterbereich 7, einen Verbrennungsbereich 8 und einen Turbinenbereich 9 auf. Der Verdichterbereich 7 weist eine Zentrifugalverdichteranordnung 10 auf.
Es wird auf die 2 Bezug genommen. Eine Zentrifugalverdichteranordnung 10 weist generell ein Laufrad 12 und einen Diffusor 14 auf. Das an einer zentralen Welle 20 befestigte Laufrad 12 rotiert um eine zentrale Achse 18 in einem stationären Laufradkranz 16. Das Laufrad 12 weist einen zentralen Nabenbereich 22 und eine Mehrzahl von Leitelementen 24 an dem Radialumfang des Laufrads auf. Die Laufradleitelemente 24 lenken die Fluidströmung um neunzig Grad um, zwingen die Strömung radial von dem Axialeinlass nach außen und erhöhen die Geschwindigkeit der Fluidströmung. Fluid gelangt in das Laufrad 12 an Vorderkanten 26 der Laufradleitelemente 24. Der ringförmige Strömungsweg durch das Laufrad 12 ist durch den umfangsmäßigen Außenkranz 16 und die gekrümmte Außenoberfläche 23 der Laufradnabe 22 definiert.
Die Laufradleitelemente an deren Austritt 28 verlassendes Fluid gelangt in den im Wesentlichen leitelementfreien Einlassraum 30 des Diffusors 14. Dieser halb-leitelementfreie Diffusoreinlassraum 30 wird nachfolgend detaillierter beschriebe. Der Diffusor weist generell eine Mehrzahl diskreter Diffusorpassagen 34 auf, die mit regelmäßigen Abständen umfangsmäßig um ein ringförmiges Diffusorgehäuse 36 positioniert sind, welches den Laufradauslass 28 umgibt. Das Arbeitsfluid strömt durch die Diffusorpassagen 34, wird um neunzig Grad zurückgedreht und expandiert und wandelt die hohe Geschwindigkeit der Strömung in einen hohen statischen Druck um. Die Diffusorpassagen 34 entwirbeln auch das das Laufrad verlassende Fluid. Das Fluid verlässt dann den Diffusor an den strömungsabwärtigen Enden 33 der Diffusorpassagen 34.
Es wird auf die 3 Bezug genommen. Jede diskrete Diffusorpassage 34 hat einen durchgängig im Wesentlichen D-förmigen Querschnitt, der eine gekrümmte Oberfläche 44 und eine gegenüberliegende im Wesentlichen flache Oberfläche 42 aufweist. An dem strömungsaufwärtigen Ende 41 ist die Oberfläche 42 wirklich flach und liegt an einer Rotationsoberfläche an, die um die zentrale Achse 18 des Laufrads 12 gebildet ist. Jedoch ist die Oberfläche 42 an dem strömungsabwärtigen Ende 43 als ein Ergebnis des Übergangs der Diffusorpas sage von einer radialen Einlassströmung zu einer axialen Auslassströmung geringfügig gekrümmt. Die gekrümmte Oberfläche 44 und die gegenüberliegende, im Wesentlichen flache Oberfläche 42 sind vorzugsweise durch flache Seiten 45 verbunden, welche allmählich in die gekrümmte Oberfläche 44 übergehen und generell rechtwinklig zu der flachen Oberfläche 42 an deren strömungsabwärtigem Ende 41 sind. Die Länge der flachen Seiten 45 und der Radius der gekrümmten Oberfläche 44 kann vom Fachmann variiert werden, wie das erforderlich ist, um am Besten an die spezielle Laufrad-Schaufelaustrittskonfiguration angepasst zu sein.
Es wird auf die 4a, 4b und 5 Bezug genommen. Die diskreten Diffusorpassagen 34 sind mit dem ringförmigen Diffusorgehäuse 36, welches den Laufradauslass 28 umgibt, in Zusammenwirkung. Obwohl es nicht wesentlich ist, ist das Diffusorgehäuse 36 vorzugsweise ein einstückig maschinell bearbeitetes Teil, welches eine gekrümmte innere Oberfläche 38 und eine Mehrzahl von diskreten Diffusorpassageneinlassbereichen 40, die an wiederholten Winkelabständen um den Umfang des Diffusorgehäuses 36 gebildet sind, hat. Jeder Diffusorpassageneinlassbereich 40 weist einen maschinell bearbeiteten Schlitz 48 dort hindurch auf, der gebildet ist, um zu der Gestalt der diskreten Diffusorpassagen 34 zu korrespondieren, und sie sind deshalb im Wesentlichen D-förmig in ihrer Querschnittsgestalt. Jeder D-förmige Schlitz 48 in dem Diffusorgehäuse 36 und deshalb jeder korrespondierende D-förmige Einlass 31 der diskreten Diffusorpassagen 34 ist so ausgerichtet, dass der gekrümmte Bereich des Schlitzes zu der Laufradkranzseite des Laufradauslasses 28 korrespondiert und der flache Bereich des Schlitzes zu der Laufradnabenseite des Laufradauslasses korrespondiert. Wie man aus der 5 erkennen kann, grenzt der flache Bereich 54 eines jeden Schlitzes an die flache Oberfläche 42 des korrespondierenden D-förmigen Einlasses 31 der Diffusorpassagen 34 an und folglich grenzt der gekrümmte Bereich 56 eines jeden Schlitzes 48 an die gekrümmte Oberfläche 44 des Einlassbereichs der korrespondierenden Diffusorpassage an.
Die Diffusorpassageneinlassbereiche 40 sind alle mit einem identischen Winkel von der Radialrichtung angeordnet, so dass deren zentrale Achsen 49 tangential zu einem gemeinsamen Tangentenkreis sind, der um die zentrale Achse 18 des Laufrads gebildet ist. Benachbarte D-förmige Schlitze 48 schneiden deshalb in den Körper des Diffusorgehäuses 36 und bilden speziell geformte Diffusorpassagenvorderkantenränder 50 in den Innenoberflächen 38 des Diffusorgehäuses. Die Vorderkanten 50 sind generell zurückverschwenkt und sind zum Teil wie Glocken-Kurven geformt und haben ein schwach S-förmige Doppelkurve, die entgegengesetzt ein konkav und ein konvex gekrümmtes Ende und einen relativ geraden zentralen Randbereich haben. Wie man aus der 4b erkennen kann, haben sie einen flacheren Vorderkantenwinkel in der Nähe der Nabenseite des Diffusorpassageneinlasses und einen tangentialeren Vorderkantenwinkel in der Nähe der Kranzseite des Diffusorpassageneinlasses. Diese Vorderkantenränder 50 definieren einen Vorderkantenkreis, der konzentrisch zu den Tangentenkreis, aber radial außerhalb davon, ist. Der äußere Vorderkantenkreis und der innere Tangentenkreis definieren generell den ringförmigen halb-leitelementfreien Raum 30. Die wirbelnde Fluidströmung, welche das Laufrad verlässt, wird in dem halb-leitelementfreien Raum ausgerichtet, bevor sie in die diskreten Diffusorpassagen 34 in der Richtung des Pfeils 46 gelangt.
Eine verbesserte Verdichtereffizienz ist mit dieser Konstruktion erreichbar und ergibt sich im Großen und Ganzen aus einer engen Anpassung zwischen den Diffusorvorderkantenwinkeln und der Verteilung der Laufradaustrittsfluidwinkeln von Nabe zu Kranz als ein Ergebnis der Geometrie und der Orientierung der darauf treffenden D-förmigen Diffusorpassagen. Eine Laufradaustrittsfluidströmung in der Nähe des Kranzes hat eine relativ kleine Radialgeschwindigkeitskomponente und eine große Tangentialgeschwindigkeitskomponente. Deshalb passt eine gekrümmte Diffusorpassage an der Kranzseite des Laufradaustritts besser zu den Fluidaustrittswinkeln in diesem Bereich. Jedoch passt eine Diffusorvorderkante, die einen relativ flachen Winkel an der Nabenseite des Einlasses hat, am Besten zu den Laufradauslassfluidwinkeln an der Nabe. Eine von dem Laufrad kommende Strömung hat einen Gradienten in der Radialgeschwindigkeitskomponente vom Kranz bis zur Kanalmitte. Mit anderen Worten beginnt der Strömungswinkel als annähernd tangential an dem Kranz und erreicht einen Maximalwert in der Nähe des Zentrums der Passage, axial ungefähr bei der Hälfte zwischen dem Kranz und der Nabe. Von dem Mittelpunkt der Passage zu der Nabe ist der Fluidströmungswinkel tendenziell relativ konstant. Deshalb ist eine Vorderkante mit einem flacheren Winkel in der Nähe der Nabe bevorzugt. Je enger die Anpassung zwischen diesen Winkeln ist, umso maximaler behält die Fluidströmung, die von dem Laufrad vermittelte Energiemenge bei und umso besser ist anschließend die Gesamteffizienz des Verdichters.
Obwohl der halb-leitelementfreie Raum 30 etwas ähnlich in seiner Konstruktion zu leitelementfreien Räumen ist, die von den kreisförmigen Passagen konventioneller Rohrdiffusoren des Stands der Technik gebildet sind, bildet das Zusammentreffen der vorliegenden speziellen D-förmigen Passagen der vorliegenden Erfindung eine einzigartige halb-leitelementfreie Raumgeometrie. Eine Zuspitzung oder ein Teil-Leitelement ist an dem Laufradkranz durch das Zusammentreffen der D-förmigen Passagen gebildet. Dieses Teil-Leitelement ragt zu dem Laufradauslass und hat einen sich ändernden Metallwinkel, wird im Wesentlichen tangential und hat sehr wenig Höhe an dem Übergang zu dem Laufrad. Die sich ändernden Metallwinkel der Teil-Leitelemente passen deshalb eng zu der Variation in der Laufradaustrittsströmung zwischen dem Kranz und der Nabe, wie vorangehend beschrieben. Benachbarte Teil-Leitelemente in dem halb-leitelementfreien Raum 30 definieren generell keilförmige Passagen, welche das Führen der Strömung in die Diffusor unterstützen. Diese Teil-Leitelemente definieren den Anfang der D-förmigen Schlitze 48 der diskreten Diffusorpassagen 34. Vorderkantenränder 50, wie vorangehend detaillierter beschrieben, der Schlitze 48 und deshalb der Teil-Leitelemente schaffen auch aerodynamische Vorteile für Überschallströmung. Überschallstoßverluste werden durch das schräge Auftreffen, welches durch die eng beabstandeten Teil-Leitelemente des halb-leitelementfreien Raums 30 geschaffen ist, verringert.
In Verbindung mit der vorangehend beschriebenen Diffusorvorderkantengestalt trägt der halb-leitelementfreie Raum dazu bei, verringerte aerodynamische Druckverluste, verbesserte Zentrifugalverdichtereffizienz und einen weiteren Bereich von Verdichterstabilität zu erzielen.
Obwohl die Geometrie und die Ausrichtung der D-förmigen diskreten Passagen des vorliegenden Diffusors aerodynamische Vorteile liefern, wird es wichtig, andere Faktoren zu bedenken, wenn man die Gangbarkeit irgendeiner neuen Konstruktion evaluiert. Verbesserungen bei einem Kriterium gehen häufig zu Lasten anderer und aerodynamische Leistung ist keine Ausnahme, da solche Punkte wie Kosteneffizienz und Einfachheit der Herstellung gelegentlich den aus der aerodynamischen Leistungsverbesserung gewonnenen Gesamtvorteil reduzieren.
Obwohl der vorliegende Diffusor aerodynamische Vorteile liefert, bleibt er dennoch günstiger und leichter herzustellen. Traditionelle Diffusorgehäuse des Stands der Technik mit kreisförmigen Diffusorrohrpassagen müssen häufig durch Gun-Drilling hergestellt werden, um die einander schneidenden, umfangsmäßig beabstandeten Diffusorpassagen zu bilden. Da die diskreten Schlitze des vorliegenden Diffusorgehäuses nicht kreisförmig sind, können sie von der Seite maschinell bearbeitet werden, beispielsweise unter Verwendung einer Fräsmaschine. Das erlaubt einen Teileherstellungsprozess, der weniger komplex und weniger kostspielig ist.

Claims

Diffusor (14) zur Verwendung mit einem strömungsaufwärtigen Laufrad (12) in einem Zentrifugalverdichter (10) aufweisend: eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten diskreten Passagen (34), welche durch Querschnittsbereiche begrenzende Wände definiert sind, wobei die Wände an den Einlässen der Passagen mindestens einen ersten im Wesentlichen geradlinigen Bereich und einen zweiten gegenüberliegenden konvex gekrümmten Bereich aufweisen; wobei benachbarte diskrete Passagen einander an deren entsprechenden Einlässen schneiden, um einen ringförmigen halb-leitelementfreien Bereich (30) an einem Einlass des Diffusors zu bilden; dadurch gekennzeichnet, dass der Schnittbereich des ringförmigen halb-leitelementfreien Raums und der diskreten Passagen (34) zurückgeschwenkte Vorderkanten davon definiert und eine enge Einströmwinkelanpassung zu einer Naben-zu-Kranz-Verteilung des Fluidaustrittswinkel von dem Laufrad schafft.
Diffusor (14) nach Anspruch 1, wobei die von den Wänden begrenzten Querschnittsbereiche im Wesentlichen D-förmig sind.
Diffusor (14) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die diskreten Passagen eine definierenden Wände an Auslässen der diskreten Passagen größere Querschnittsfläche begrenzen als an den Einlässen davon.
Diffusor (14) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der erste im Wesentlichen geradlinige Bereich (42) einer Nabe des Laufrads benachbart ist und der zweite gegenüberliegende konvex gekrümmte Bereich (44) einem Laufradkranz benachbart ist.
Diffusor (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Diffusor daran angepasst ist, radial gerichtete Strömung an dem Einlassende davon von dem Laufrad aufzunehmen und axial gerichtete Strömung an Auslässen der diskreten Passagen zu liefern.
Diffusor (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Diffusor ein ringförmiges Verdichtergehäuse aufweist, welches den halb-leitelementfreien Diffusorbereich darin beherbergt.
Diffusor (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wände, welche die diskreten Passagen strömungsabwärts des halb-leitelementfreien Diffusorbereichs definieren, entfernbar mit dem Verdichtergehäuse zusammenwirken.
Diffusor nach Anspruch 5, wobei der erste im Wesentlichen geradlinige Bereich geringfügig gekrümmt wird, wenn die Strömung durch die diskreten Passagen von radial an den Einlässen zu axial an den Auslässen übergeht.
Diffusor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zurückgeschwenkten Vorderkanten der diskreten Passagen einer Nabenseite der diskreten Passageneinlässe benachbart einen flacheren Vorderkantenwinkel und einer Kranzseite der diskreten Passageneinlässe benachbart einen tangentialeren Vorderkantenwinkel haben.
Diffusor nach Anspruch 2, wobei der Vorderkantenwinkel der inneren Oberfläche des Diffusorgehäuses durch den Schnitt benachbarter D-förmiger Passagenwände definiert ist.
Diffusor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorderkanten einen Vorderkantenkreis definieren, der konzentrisch zu und radial außerhalb von dem gemeinsamen Kreis ist.
Diffusor nach Anspruch 11, wobei der ringförmige halb-leitelementfreie Raum durch den Vorderkantenkreis und den gemeinsamen Kreis begrenzt ist.
Diffusor nach Anspruch 2, wobei der halb-leitelementfreie Raum eine Mehrzahl von Teilleitelemente aufweist, die an einem Laufradkranz durch den Schnitt der D-förmigen Passagen gebildet sind.
Diffusor nach Anspruch 13, wobei die Erstreckung der Teil-Leitelemente in deren Höhe abnimmt, wenn sie sich in Richtung zu einem Laufradaustritt erstrecken.
Diffusor nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Teil-Leitelemente im Wesentlichen tangential zu einem Umfang des Laufrads an einem Laufradauslass sind.
Diffusor nach Anspruch 13, 14 oder 15, wobei benachbarte Teil-Leitelemente kooperieren, um Luft in die diskreten Passagen zu führen.
Diffusor nach Anspruch 13, 14, 15 oder 16, wobei die Teil-Leitelemente den Beginn der diskreten Passagen definieren.
Diffusor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorderkante der diskreten Passagen eine gekrümmte Gestalt an der Außenkranzseite hat, die daran angepasst ist, eng zu den Fluidaustrittswinkeln von dem Laufrad zu passen, und so zu der engen Einströmwinkelanpassung beiträgt.
Diffusor nach Anspruch 18, wobei die Vorderkanten relativ flach an einer Nabenseite sind und so daran angepasst sind, eng zu den Laufradauslassfluidwinkeln von dem Laufrad an der Laufradnabe zu passen, um so weiter zu der engen Einströmwinkelanpassung beizutragen.
Diffusor nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die zurückgeschwenkte Vorderkante des Teil-Leitelements einen schrägen Einströmwinkel relativ zu der in den Diffusor gelangenden Strömung liefert.