EP3205883A1 - Laufrad für einen zentrifugalturboverdichter - Google Patents

Laufrad für einen zentrifugalturboverdichter Download PDF

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EP3205883A1
EP3205883A1 EP16154853.2A EP16154853A EP3205883A1 EP 3205883 A1 EP3205883 A1 EP 3205883A1 EP 16154853 A EP16154853 A EP 16154853A EP 3205883 A1 EP3205883 A1 EP 3205883A1
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EP
European Patent Office
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track
impeller
imp
blade
bll
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16154853.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Woiczinski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP16154853.2A priority Critical patent/EP3205883A1/de
Priority to EP17700651.7A priority patent/EP3377773B1/de
Priority to PCT/EP2017/050626 priority patent/WO2017137207A1/de
Priority to US16/075,730 priority patent/US10865803B2/en
Publication of EP3205883A1 publication Critical patent/EP3205883A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/04—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven
    • F04D25/045—Units comprising pumps and their driving means the pump being fluid-driven the pump wheel carrying the fluid driving means, e.g. turbine blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
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    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
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    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • F05D2250/713—Shape curved inflexed

Definitions

  • the invention relates to an impeller of a turbocompressor, for rotation about an axis, comprising an inlet cross section for substantially axial inflow of a process fluid into the impeller, comprising an outlet cross section for substantially radial outlet of the process fluid from the impeller, comprising a wheel disc having a hub-side Umlenkkontur from the axial flow direction to the radial flow direction, comprising paddles attached to the wheel disc defining flow channels from an entrance edge to a circumferential exit edge over at least a portion of the process fluid flow path through the impeller, each paddle at a tip end extension end proximate the wheel disc a line-like inner track extending in the flow direction is defined, such that on both sides the inner track has orthogonal equal distances to a blade surface on a pressure side or a suction side of the blade v Oro, wherein the blade at a distal end to the wheel distal end defines a linear outer track extending in the flow direction, such that on both sides of the outer track orthogonal e
  • turbocompressors are already out of the DE 10 2013 207 220 B3 known.
  • This turbo compressor type is also referred to as a centrifugal compressor, because the conveyed process fluid is accelerated radially outward in the impeller as a result of centrifugal forces.
  • mechanical energy is added to the gas or the process fluid for the purpose of compaction by means of a rotating blading of the impeller.
  • the aspirated process fluid is delayed within the flow channels of the impeller formed between the individual blades relative to the movement of the impeller and thus compressed according to the physical laws of fluid mechanics to a higher pressure level. Since the impeller is moving at a high speed, the fluid is further retarded after flowing out of the impeller in the radial direction in a subsequent diffuser and additionally compressed in this way according to the laws of Bernoulli.
  • this definition surface This, beyond the boundaries of the leading edge, trailing edge, wheel disc and cover disc outgoing 3-dimensional figure consisting of a pressure side and a suction side is referred to as a definition surface.
  • this definition surface of the blade is used, which by means of the angular distribution at the Wheel disc and the cover plate and the blade thickness distribution is described. Within certain limits, partial surfaces are extracted from this definition surface, depending on the wheel disc and cover disc geometry, and used in an individual impeller design.
  • Geometrical indications such as axial, radial, tangential or circumferential direction always refer to a rotational axis of the impeller, unless the reference is otherwise stated.
  • the invention has set itself the task of developing an impeller for a turbocompressor such that the efficiency over conventional wheels for the same purpose is improved.
  • a local extremum of the meridional angle of the inner track is present in the range between 10% and 90% of the relative blade length.
  • relative blade lengths chosen by the invention allows for the inclusion of positions of the inner track and the outer track with respect to the respective relative distances to the leading edge and trailing edge.
  • the invention provides an advantageous geometry of wheels both for so-called closed wheels (wheels with a cover plate) and for so-called open wheels, which have no cover plate.
  • the preferred embodiment of the invention are impellers with a Cover disc, which defines the flow channels adjacent to the extension end edges of the blades and is attached to the blades in the region of the end extension edges of the blades.
  • the designs that are made here for closed wheels and partially relate to a cover plate also apply to open wheels that have no cover plate.
  • the linear inner track extends along an end face of the blades that is distal from the wheel disc between the leading edge and the trailing edge.
  • the open flow channels of the open impeller border on a stator contour, sealing the openings distal to the wheel disc, so that the fluidic boundary conditions are similar for purposes of the invention.
  • the geometry according to the invention is particularly advantageous if the course of the meridional angle is monotonically decreasing between 10% and 90% of the relative blade length of the outer track.
  • the findings of the invention indicate that the efficiency of the impeller can be increased if, in contrast to the inner track, the outer track has no local extremum in the angular course along the relative blade length.
  • An advantageous development of the invention provides that in the range between 10% and 90% of the relative blade lengths, the maximum difference between the inner track and the outer track for a specific position along the relative blade lengths of the meridional angle between 10 ° and 25 °.
  • the meridional angle distribution on the inner track and the outer track differ significantly.
  • the maximum difference in this context does not mean the highest possible difference, but the highest actually occurring difference.
  • the invention thus provides in this advantageous development that an actual maximum difference occurs, which is between 10 ° and 25 ° between the inner track.
  • Particularly advantageous is the fluidic Efficiency when the location of the maximum difference between the inner and outer tracks is between 15% and 45% of the relative blade length.
  • trailing edge of the blades is not inclined with respect to a meridional plane. Accordingly, it is proposed that the trailing edge of the blade enclose an angle with a meridional plane between 0 ° to 5 °.
  • the blade inlet edge forms an angle between 35 ° to 45 °, preferably 41 ° with a radial plane.
  • the leading edge of the blade is accordingly set back slightly with respect to the inflow into the impeller.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that in the range between 10% to 90% of the relative blade length, the course of the meridional angle of the inner track has a turning point between 40% to 80% of the relative blade length.
  • the geometry recognized as advantageous in this manner contributes to a further improvement in the efficiency of the fluid mechanics on the blade of the impeller according to the invention.
  • the profile of a blade thickness distribution of the inner track in the direction of flow should preferably be monotonically increasing.
  • the blade thickness distribution on the outer track can be selected substantially constant.
  • FIG. 1 shows an axial plan view of an inventive impeller IMP, comprising a cover plate COV, blades B and a wheel disc HW.
  • the axis of rotation X is indicated, around which the impeller rotates in operation along a direction of rotation ROT.
  • a meridional section II-II along a meridional plane MPL is given, which in FIG. 2 is reproduced.
  • the individual blades B each have a pressure side PRS and a suction side SCS.
  • axial plan view shows the viewer the leading edge LE of the blade B.
  • Each vane B has a line-like inner track IT extending in the direction of flow at an extension end edge IE which is proximal to the wheel disc HW such that orthogonal distances to a vane surface on the pressure side PRS or the suction side SCS of the vane B are present on both sides of the inner track.
  • Each blade B has at a distance to the wheel HW distal end edge OE extending in the flow direction linear outer track, such that on both sides of the outer track orthogonal equal distances to the blade surface on the pressure side PRS and the suction side SCS are present.
  • These corresponding inner and outer tracks on the blades can also be defined such that these tracks are respectively the set of centers of circles inscribed in the blade profiles.
  • FIG. 3 shows in each case as a function of the relative blade length BLL in the upper diagram area the course of the meridional angle for the inner lane IT and the outer lane OT and in the lower diagram area the derivative of the meridional angle MA 'to the relative blade length BL for the inner lane IT and the outer lane OT.
  • the blade leading edge LE here forms an angle LEA of 41 ° with a radial plane RP.
  • the leading edge of the blade B is accordingly set back slightly.
  • FIG. 4 shows the blade thickness distribution as a course over the relative blade length BLL for the inner track IT and the outer track OT.
  • FIG. 5 shows details of such a sharpening at an entry edge of a wheel disc or cover disk in a schematic Circumferential tangential section from radial view.
  • the example shown there is dimensioned in such a way: parameter wheel disc cover disc SDS 2.42 mm SRS 3.73 mm LZ 11.2 mm 12.0 mm LU 4.7 mm 2.5 mm SU 3.1 mm 1.8 mm
  • SDS blade thickness cover disc COV
  • LU transition thickness SU: Transition length.
  • FIGs of Figures 3 and 4 each show a course that is continued on both sides beyond the 0% or 100% position of the relative blade length BLL.
  • This is a definition surface that is bounded in the concrete impeller by the inner and outer extension end edge OE, IE, the leading edge LE and the trailing edge TE of the blade B, respectively.
  • the findings according to the invention on the distribution of the meridional angle MA for a blade B, also in conjunction with the blade thickness distribution for the inner track IT and the outer track OT, apply essentially independently of the section of this definition surface, provided that certain limits are not exceeded. Within limits, an extrapolation of this area can also take place.
  • the description of the blades B by means of the distribution of the meridional angle MA and the thickness distribution over the extension of the blades B in the direction of flow and the relative blade length BLL results in a connection of the inner track and the outer track by means of the thickness distribution spanned blade profiles by means of straight lines to a three-dimensional surface in the room, which can be produced by means of a flank milling process.
  • the three-dimensional blade spanned by the so-called regular straight line between the outer and inner blade profiles is basically preferred, although a geometry other than a straight line is also conceivable according to the invention, for example an arc defined by means of a polygon or splines and support points.
  • the inventive design of the blade B of an impeller IMP looks after FIG. 3 in that between about 10% to 60% of the relative blade length BLL there is a local extreme LEX of the meridional angle MA of the inner track IT.
  • this local extremum LEX is between 25% to 45% of the relative blade length BLL.
  • Particularly preferred is - as in FIG. 3 , the first diagram shown - the course of the meridional angle MA for the outer track OT monotonically decreasing between 10% to 90% of the relative blade length.
  • there is a difference in the meridional angle MA between the inner track IT and the outer track OT which increases to a maximum difference DLTM along the relative blade length, this actual maximum difference, between 10 ° and 25 °.
  • this maximum difference DLTM occurs in the range between 15% to 45% of the relative blade length BLL.
  • a further particularly preferred embodiment of the invention shown in the exemplary embodiment provides that the course of the meridional angle MA of the inner track IT has a point of inflection TP in the range between 40% and 80% of the relative blade length BLL.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (IMP) eines Turboverdichters (TCO), zur Rotation um eine Achse (X), umfassend einen Eintrittsquerschnitt (IN) zur im wesentlichen axialen Einströmung eines Prozessfluids (PF) in das Laufrad (IMP), umfassend einen Austrittsquerschnitt (EX) zum im wesentlichen radialen Austritt des Prozessfluids (PF) aus dem Laufrad (IMP), umfassend eine Radscheibe (HW), die eine nabenseitige Umlenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert, umfassend an der Radscheibe (HW) angebrachte Schaufeln (B), die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Prozessfluids (PF) durch das Laufrad (IMP) Strömungskanäle (FC) definieren, wobei jede Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) proximalen Erstreckungsendkante (IE) eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur (IT) definiert, wobei jede Schaufel (B) eine linienhafte Außenspur definiert, wobei eine relative Schaufellänge (BLL) für jede Position auf einer Spur (T), die eine Innenspur (IT) oder Außenspur (OT) ist, jeweils definiert sind als Anteil der stromabwärts dieser Position befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur (T), nämlich Innenspur (IT) oder Außenspur (OT), wobei ein Meridionalwinkel (MA) für jede Position einer Spur (T) definiert ist als der stromaufwärts eingeschlossene Winkel zwischen einer Meridionalebene (MPL) durch diese Position und einer Tangente an der Spur (T). Damit die Strömung mit verbessertem Wirkungsgrad weitestgehend ablösungsfrei das Laufrad passiert, wird vorgeschlagen, dass ein lokales Extremum des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) vorliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Laufrad eines Turboverdichters, zur Rotation um eine Achse, umfassend einen Eintrittsquerschnitt zur im wesentlichen axialen Einströmung eines Prozessfluids in das Laufrad, umfassend einen Austrittsquerschnitt zum im wesentlichen radialen Austritt des Prozessfluids aus dem Laufrad, umfassend eine Radscheibe, die eine nabenseitige Umlenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert, umfassend an der Radscheibe angebrachte Schaufeln, die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Prozessfluids durch das Laufrad Strömungskanäle von einer Eintrittskante bis zu einer Austrittskante in Umfangsrichtung definieren, wobei jede Schaufel an einer zur Radscheibe proximalen Erstreckungsendkante eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur definiert, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf einer Druckseite bzw. einer Saugseite der Schaufel vorliegen, wobei die Schaufel an einer zur Radscheibe distalen Erstreckungsendkante eine sich in Strömungsrichtung erstreckende linienhafte Außenspur definiert, derart, dass beidseitig der Außenspur orthogonal gleiche Abstände zu der Schaufeloberfläche auf der Druckseite und zu der Saugseite der Schaufel vorliegen, wobei eine relative Schaufellänge für jede Position auf einer Spur, die eine Innenspur oder Außenspur ist, jeweils definiert sind als Anteil der stromabwärts dieser Position befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur, nämlich Innenspur oder Außenspur, wobei ein Meridionalwinkel für jede Position einer Spur definiert ist als der stromaufwärts eingeschlossene Winkel zwischen einer Meridionalebene durch diese Position und einer Tangente an der Spur.
  • Gattungsgemäße Turboverdichter sind bereits aus der DE 10 2013 207 220 B3 bekannt. Dieser Turboverdichtertyp wird auch als Zentrifugalverdichter bezeichnet, weil das beförderte Prozessfluid in Folge von Fliehkräften nach radial außen in dem Laufrad beschleunigt wird. Grundsätzlich wird dem Gas bzw. dem Prozessfluid zum Zwecke der Verdichtung mittels einer rotierenden Beschaufelung des Laufrades mechanische Energie zugefügt. Das angesaugte Prozessfluid wird innerhalb der zwischen den einzelnen Schaufeln ausgebildeten Strömungskanäle des Laufrades relativ zur Bewegung des Laufrades verzögert und somit gemäß den physikalischen Gesetzen der Strömungsmechanik auf ein höheres Druckniveau verdichtet. Da sich das Laufrad mit einer hohen Drehzahl bewegt, wird das Fluid nach Abströmung aus dem Laufrad in radialer Richtung in einem anschließenden Diffusor weiter verzögert und gemäß der Gesetze von Bernoulli auf diese Weise zusätzlich verdichtet.
  • In derartigen Fluidenergiemaschinen treten stets unvermeidbare strömungsmechanische Verluste auf. Die Verringerung dieser Verluste ist ein Optimierungsproblem, in dessen Bearbeitung darauf geachtet wird, dass insbesondere keine Ablösungen der Strömung von der Schaufel bzw. sonstiger Laufradoberflächen auftreten. Das Ergebnis dieser Optimierungsaufgabe wird in der Regel bzgl. der Schaufel in einer sogenannten Winkelverteilung und Dickenverteilung über die Lauflänge der Schaufel an Rad- und Deckscheibe beschrieben. Diese zweidimensionalen Profile an der Rad- und Deckscheibe werden geometrisch verbunden, beispielweise mittels Geraden, die auch als "Regelgeraden" bezeichnet werden. Die im Ergebnis erhaltene dreidimensionale Figur kann im Flankenfräsverfahren hergestellt werden. Um zu vermeiden, dass ein derartiger Entwurfsaufwand für jede nur geringfügig andere Verdichtungsaufgabe vollständig abgearbeitet werden muss, wird eine derartige Schaufel geometrisch zunächst größer entworfen, als diese in der Regel eingesetzt wird. Diese, über die Grenzen von Eintrittskante, Austrittskante, Radscheibe und Deckscheibe hinausgehende 3-dimensionale Figur bestehend aus einer Druckseite und einer Saugseite wird als Definitionsfläche bezeichnet. Zum Zwecke der Auftragsbearbeitung wird diese Definitionsfläche der Schaufel verwendet, die mittels der Winkelverteilung an der Radscheibe und der Deckscheibe und der Schaufeldickenverteilung beschrieben ist. Aus dieser Definitionsfläche werden in bestimmten Grenzen Teilflächen - je nach Radscheiben- und Deckscheibengeometrie - extrahiert und in einem individuellen Laufradentwurf verwendet.
  • Geometrische Angaben, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf eine Rotationsachse des Laufrades, sofern die Bezugnahme nicht anders angegeben ist.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Laufrad für einen Turboverdichter derart weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Laufrädern für gleichen Einsatzzweck verbessert ist.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge ein lokales Extremum des Meridionalwinkels der Innenspur vorliegt.
  • Es hat sich gezeigt, dass die von der Erfindung erkannte vorteilhafte Geometrie der Schaufeln eines Laufrades zu einem besonders guten Wirkungsgrad führt, weil insbesondere eine nur geringe Ablösung im Vergleich zu herkömmlichen Geometrien des Prozessfluids im Betrieb von den Laufradoberflächen erfolgt.
  • Die von der Erfindung gewählte Definition von relativen Schaufellängen ermöglicht die In-Bezug-Setzung von Positionen der Innenspur und der Außenspur hinsichtlich der jeweiligen verhältnismäßigen Abstände bzw. Nähe zu der Eintrittskante und Austrittskante.
  • Grundsätzlich bietet die Erfindung eine vorteilhafte Geometrie von Laufrädern sowohl für sogenannte geschlossene Laufräder (Laufräder mit einer Deckscheibe) und für sogenannte offene Laufräder, die keine Deckscheibe aufweisen. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind Laufräder mit einer Deckscheibe, die die Strömungskanäle an den Erstreckungsendkanten der Schaufeln angrenzend definiert und im Bereich der Erstreckungsendkanten der Schaufeln an den Schaufeln angebracht wird. Die Ausführungen, die hier für geschlossene Laufräder gemacht sind und sich teilweise auf eine Deckscheibe beziehen, gelten auch für offene Laufräder, die keine Deckscheibe aufweisen. Die linienhafte Innenspur erstreckt sich hierbei entlang einer von der Radscheibe aus distalen Erstreckungsendkante der Schaufeln zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante. Die offenen Strömungskanäle des offenen Laufrades grenzen im Betrieb an eine Statorkontur die zur Radscheibe distale Öffnungen verschließend an, so dass die strömungstechnischen Randbedingungen für Belange der Erfindung ähnlich sind.
  • Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Geometrie, wenn der Verlauf des Meridionalwinkels zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge der Außenspur monoton fallend ist. Die Erkenntnisse der Erfindung weisen darauf hin, dass die Effizienz des Laufrades gesteigert werden kann, wenn im Gegensatz zu der Innenspur, die Außenspur kein lokales Extremum im Winkelverlauf entlang der relativen Schaufellänge aufweist.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 10% und 90% der relativen Schaufellängen die maximale Differenz zwischen der Innenspur und der Außenspur für eine bestimmte Position entlang der relativen Schaufellängen des Meridionalwinkels zwischen 10° und 25° beträgt. Hierbei ist es die besondere Erkenntnis der Erfindung, dass die Meridionalwinkelverteilung auf der Innenspur und der Außenspur sich signifikant unterscheiden. Mit der maximalen Differenz ist in diesem Zusammenhang nicht die höchst mögliche Differenz gemeint, sondern die höchste tatsächlich auftretende Differenz. Die Erfindung sieht in dieser vorteilhaften Weiterbildung also vor, dass eine tatsächliche maximale Differenz auftritt, die zwischen 10° und 25° zwischen der Innenspur beträgt. Besonders vorteilhaft ist die strömungstechnische Effizienz, wenn der Ort der maximalen Differenz zwischen Innenspur und Außenspur im Bereich zwischen 15% bis 45% der relativen Schaufellänge liegt.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Austrittskante der Schaufeln jeweils gegenüber einer Meridionalebene nicht geneigt ist. Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass die Austrittskante der Schaufel einen Winkel mit einer Meridionalebene zwischen 0° bis 5° einschließt. Die Sollvorgabe, dass die Austrittskante der Schaufel in einer Meridionalebene liegt, wird in der Fachwelt auch als rake = 0 bezeichnet.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaufeleintrittskante einen Winkel zwischen 35°bis 45°, bevorzugt 41° mit einer Radialebene ausbildet. Die Eintrittskante der Schaufel befindet sich dementsprechend etwas zurückversetzt gegenüber der Einströmung in den Impeller.
  • Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge der Verlauf des Meridionalwinkels der Innenspur einen Wendepunkt zwischen 40% bis 80% der relativen Schaufellänge aufweist. Die in dieser Weise als vorteilhaft erkannte Geometrie trägt zur weiteren Effizienzverbesserung der Strömungsmechanik an der Schaufel des erfindungsgemäßen Laufrades bei.
  • Es hat sich gezeigt, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge der Verlauf einer Schaufeldickenverteilung der Innenspur in Strömungsrichtung bevorzugt monoton steigend ausgebildet sein sollte. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Schaufeldickenverteilung auf der Außenspur im Wesentlichen konstant gewählt werden.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen und Diagramme näher verdeutlicht. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Sicht auf ein erfindungsgemäßes Laufrad mit teilweise geschnittener Deckscheibe in axialer Richtung,
    Figur 2
    einen Meridionalschnitt entlang der Rotationsachse durch eine schematische Darstellung eines Laufrades gemäß dem Schnitt II-II in Figur 1,
    Figur 3
    in synoptischer Wiedergabe eine Meridionalwinkelverteilung entlang der relativen Schaufellänge sowie der Veränderung des Meridionalwinkels entlang der relativen Schaufellänge.
    Figur 4
    eine Schaufeldickenverteilung entlang der relativen Schaufellänge.
    Figur 5
    eine Detaildarstellung einer Eintrittskante als schematischer Umfangstangentialschnitt aus radialer Sicht.
  • Figur 1 zeigt eine axiale Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Laufrad IMP, umfassend eine Deckscheibe COV, Schaufeln B und eine Radscheibe HW. In der Mitte der Radscheibe HW ist die Drehachse X angegeben, um die sich das Laufrad im Betrieb entlang einer Rotationsrichtung ROT dreht. In eine Radialrichtung ist prinzipiell ein Meridionalschnitt II-II entlang einer Meridionalebene MPL angegeben, der in Figur 2 wiedergegeben ist. Die einzelnen Schaufeln B weisen jeweils eine Druckseite PRS und eine Saugseite SCS auf. In der in Figur 1 dargestellten axialen Draufsicht zeigt sich dem Betrachter die Eintrittskante LE der Schaufel B. Dort, wo die Deckscheibe COV in Figur 1 weggeschnitten ist, ist eine Außenspur OT strichpunktiert an der äußeren Erstreckungsendkante OE der Schaufel B wiedergegeben. Direkt an der Radscheibe HW an der inneren Erstreckungsendkante IE, die sich proximal zur Radscheibe HW befindet, ist ebenfalls strichpunktiert eine Innenspur IT dargestellt. Diese Sachverhalte lassen sich auch an der Figur 2 nachvollziehen. Jede Schaufel B weist an einer zur Radscheibe HW proximalen Erstreckungsendkante IE eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur IT auf, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf der Druckseite PRS bzw. der Saugseite SCS der Schaufel B vorliegen. Jede Schaufel B weist an einer zur Radscheibe HW distalen Erstreckungsendkante OE eine sich in Strömungsrichtung erstreckende linienhafte Außenspur auf, derart, dass beidseitig der Außenspur orthogonal gleiche Abstände zu der Schaufeloberfläche auf der Druckseite PRS und zu der Saugseite SCS vorliegen. Diese entsprechenden Innenspuren und Außenspuren an den Schaufeln lassen sich auch derart definieren, dass diese Spuren jeweils die Menge der Mittelpunkte von in den Schaufelprofilen eingeschriebener Kreise sind.
  • Die Figur 3 zeigt jeweils in Abhängigkeit von der relativen Schaufellänge BLL im oberen Diagrammbereich den Verlauf des Meridionalwinkels für die Innenspur IT und die Außenspur OT und im unteren Diagrammbereich die Ableitung des Meridionalwinkels MA' nach der relativen Schaufellänge BL für die Innenspur IT und die Außenspur OT.
  • Die Schaufeleintrittskante LE bildet hier einen Winkel LEA von 41° mit einer Radialebene RP aus. Die Eintrittskante der Schaufel B befindet sich dementsprechend etwas zurückversetzt.
  • Das Diagramm der Figur 4 zeigt die Schaufeldickenverteilung als Verlauf über die relative Schaufellänge BLL für die Innenspur IT und die Außenspur OT.
  • Hierbei ist zu berücksichtigen, dass abweichend von diesem Verlauf eine Zuschärfung der Eintrittskanten und Austrittskanten der Schaufeln ausgelegt wird. Beispielhaft zeigt Figur 5 Details zu einer solchen Zuschärfung an einer Eintrittskante einer Radscheibe bzw. Deckscheibe in einem schematischen Umfangstangentialschnitt aus radialer Sicht. Das dort gezeigte Beispiel ist derart dimensioniert:
    Parameter Radscheibe Deckscheibe
    SDS 2.42 mm
    SRS 3.73 mm
    LZ 11.2 mm 12.0 mm
    LU 4.7 mm 2.5 mm
    SU 3.1 mm 1.8 mm
    Hierbei bedeuten:
    SDS: Schaufeldicke Deckscheibe COV,
    SRS: Schaufeldicke Radscheibe HW
    LZ: Länge der Zuschärfung
    LU: Übergangsdicke
    SU: Übergangslänge.
  • Diese Parameter sind skalierbar, so dass eine Anwendung auf andere Schaufeldicken möglich ist.
  • Die Diagramme der Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Verlauf, der beidseitig über die 0%- bzw. 100%-Position der relativen Schaufellänge BLL hinaus fortgesetzt ist. Hierbei handelt es sich um eine Definitionsfläche, die in dem konkreten Laufrad von der inneren und äußeren Erstreckungsendkante OE, IE, der Eintrittskante LE und der Austrittskante TE der Schaufel B jeweils begrenzt wird. Die erfindungsgemäßen Erkenntnisse über die Verteilung des Meridionalwinkels MA für eine Schaufel B auch in Verbindung mit der Schaufeldickenverteilung für die Innenspur IT und die Außenspur OT gelten im Wesentlichen unabhängig von dem Ausschnitt aus dieser Definitionsfläche sofern gewisse Grenzen nicht überschritten werden. In Grenzen kann auch eine Extrapolation dieser Fläche erfolgen. Die Beschreibung der Schaufeln B mittels der Verteilung des Meridionalwinkels MA und der Dickenverteilung über die Erstreckung der Schaufeln B in Strömungsrichtung bzw. die relative Schaufellänge BLL führt bei einer Verbindung der von der Innenspur und der Außenspur mittels der Dickenverteilung aufgespannten Schaufelprofile mittels Geraden zu einer dreidimensionalen Fläche im Raum, die mittels eines Flankenfräsverfahrens hergestellt werden kann. Grundsätzlich bevorzugt ist die mittels sogenannter Regelgeraden zwischen den äußeren und inneren Schaufelprofilen aufgespannte dreidimensionale Schaufel, wobei grundsätzlich auch eine andere Geometrie als eine Gerade erfindungsgemäß denkbar ist, beispielswese ein Bogen, der mittels eines Polygons oder Splines und Stützpunkten definiert ist.
  • Damit diese so definierte allgemeine Fläche, die auch als Definitionsfläche oder auch als Maximalfläche bezeichnet wird, für unterschiedliche Verdichtungsaufgaben bzw. Laufräder IMP verwendet werden kann, werden mittels Meridionalschnitten aus dieser Definitionsfläche Teilfächen extrahiert zum Zwecke der Verwendung in einem Laufradentwurf. Die erfindungsgemäße Definitionsfläche eignet sich insofern für einen Einsatzbereich des spezifischen Durchfluss Ψ = V/u * d2 2 zwischen 0,05 bis 0,16, wobei bedeutet:
    • V: Volumenstrom in Kubikmeter pro Sekunde
    • U: Umfangsgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde
    • d2: Laufraddurchmesser in Meter.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaufel B eines Impellers IMP sieht nach Figur 3 vor, dass zwischen etwa 10% bis 60% der relativen Schaufellänge BLL ein lokales Extremum LEX des Meridionalwinkels MA der Innenspur IT vorliegt. Bevorzugt liegt dieses lokale Extremum LEX zwischen 25% bis 45% der relativen Schaufellänge BLL. Besonders bevorzugt ist - wie in Figur 3, erstes Diagramm dargestellt - der Verlauf des Meridionalwinkels MA für die Außenspur OT zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge monoton fallend. Weiterhin besonders bevorzugt gibt es zwischen der Innenspur IT und der Außenspur OT eine Differenz im Meridionalwinkel MA, die zu einer maximalen Differenz DLTM entlang der relativen Schaufellänge anwächst, wobei diese tatsächlich vorliegende maximale Differenz, zwischen 10° und 25° beträgt. Besonders bevorzugt tritt diese maximale Differenz DLTM im Bereich zwischen 15% bis 45% der relativen Schaufellänge BLL auf. Besonders bevorzugt weisen die Innenspur IT und die Außenspur OT im Bereich der Austrittskante TE - also bei 100% der relativen Schaufellänge BLL - den gleichen Meridionalwinkel MA auf. Hieraus ergibt sich, dass die mittlere Erstreckung der Austrittskante TE der Schaufel B einen Winkel mit einer Meridionalebene MPL von etwa 0° einschließt bzw. zu dieser Meridionalebene MPL parallel ist. Bevorzugt sollte diese Winkelabweichung zu der Meridionalebene MPL der Austrittskante TE geringer als 5° sein. Eine weitere besonders bevorzugte und in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 40% bis 80% der relativen Schaufellänge BLL der Verlauf des Meridionalwinkels MA der Innenspur IT einen Wendepunkt TP aufweist.

Claims (10)

  1. Laufrad (IMP) eines Turboverdichters (TCO), zur Rotation um eine Achse (X), umfassend einen Eintrittsquerschnitt (IN) zur im wesentlichen axialen Einströmung eines Prozessfluids (PF) in das Laufrad (IMP),
    umfassend einen Austrittsquerschnitt (EX) zum im wesentlichen radialen Austritt des Prozessfluids (PF) aus dem Laufrad (IMP),
    umfassend eine Radscheibe (HW), die eine nabenseitige Umlenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert,
    umfassend an der Radscheibe (HW) angebrachte Schaufeln (B), die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Prozessfluids (PF) durch das Laufrad (IMP) Strömungskanäle (FC) von einer Eintrittskante (LE) bis zu einer Austrittskante (TE) in Umfangsrichtung definieren,
    wobei jede Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) proximalen Erstreckungsendkante (IE) eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur (IT) definiert, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf einer Druckseite (PRS) bzw. einer Saugseite (SCS) der Schaufel (B) vorliegen,
    wobei die Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) distalen Erstreckungsendkante (OE) eine sich in Strömungsrichtung erstreckende linienhafte Außenspur definiert, derart, dass beidseitig der Außenspur (OT) orthogonal gleiche Abstände zu der Schaufeloberfläche zu der Druckseite (PRS) und zu der Saugseite (SCS) der Schaufel (B) vorliegen, wobei eine relative Schaufellänge (BLL) für jede Position auf einer Spur (T), die eine Innenspur (IT) oder Außenspur (OT) ist, jeweils definiert sind als Anteil der stromabwärts dieser Position befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur (T), nämlich Innenspur (IT) oder Außenspur (OT),
    wobei ein Meridionalwinkel (MA) für jede Position einer Spur (T) definiert ist als der stromaufwärts eingeschlossene Winkel zwischen einer Meridionalebene (MPL) durch diese Position und einer Tangente an der Spur (T),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellänge (BLL) ein lokales Extremum (LEX) des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) vorliegt.
  2. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei das lokale Extremum (EX01) des Verlaufs des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) zwischen 25% - 45% der relativen Schaufellänge (BLL) liegt.
  3. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei der Verlauf des Meridionalwinkels (MA) zwischen 10%-90% der relativen Schaufellänge (BLL) der Außenspur (OT) monoton fallend ist.
  4. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei das Laufrad (IMP) eine Deckscheibe (COV) aufweist, die die Strömungskanäle (FC) an den Erstreckungsendkante (OE) angrenzend definiert und im Bereich der Erstreckungsendkante (OE) an den Schaufeln (B) angebracht ist.
  5. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) die maximale Differenz (DLTM) zwischen der Innenspur (IT) und der Außenspur (OT) für eine bestimmte Position entlang der relativen Schaufellängen (BLL) des Meridionalwinkels (MA) zwischen 10° und 25° beträgt.
  6. Laufrad (IMP) nach Anspruch 5, wobei die maximale Differenz (DLTM) zwischen der Innenspur (IT) und der Außenspur (OT) entlang der relativen Schaufellängen (BLL) des Meridionalwinkels (MA) im Bereich zwischen 15%-45% der relativen Schaufellängen (BLL) liegt.
  7. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei die mittlere Erstreckung der Austrittskante (TE) der Schaufel (B) einen Winkel mit einer Meriodinalebene (MPL) zwischen 0°-5° einschließt, bevorzugt 0° beträgt.
  8. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) der Verlauf des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) einen Wendepunkt (TP) zwischen 40% - 80% der relativen Schaufellänge (BLL) aufweist.
  9. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) der Verlauf einer Schaufeldickenverteilung (BT) der Innenspur (IT) in Strömungsrichtung monoton steigend ist.
  10. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei die Schaufeleintrittskante (LE) einen Winkel (LEA) zwischen 35°bis 45°, bevorzugt 41° mit einer Radialebene (RP) ausbildet.
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