DE102012202707B3

DE102012202707B3 - Impeller side chambers with resonators in radial flow machines

Info

Publication number: DE102012202707B3
Application number: DE201210202707
Authority: DE
Inventors: Sven König
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: WO2013124282A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (100), insbesondere eine radiale Strömungsmaschine, wie einen Radialverdichter oder eine Radialturbine, mit einem Laufrad (10) mit einem Scheibenelement (14, 19) und einem Laufradseitenraum (4, 5), welcher zumindest zum Teil durch das Scheibenelement (14, 19) des Laufrads (10) und durch eine Laufradseitenraumwand (6, 7) begrenzt wird. In der Laufradseitenraumwand (6, 7) ist mindestens ein zu dem Laufradseitenraum (4, 5) hin offener, als Resonator wirkender Hohlraum (1) ausgebildet.The invention relates to a turbomachine (100), in particular a radial turbomachine, such as a centrifugal compressor or a radial turbine, with an impeller (10) with a disc element (14, 19) and an impeller side space (4, 5), which at least partially through the Disc member (14, 19) of the impeller (10) and by an impeller side space wall (6, 7) is limited. In the impeller side wall (6, 7) at least one of the impeller side space (4, 5) towards open, acting as a resonator cavity (1) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine radiale Strömungsmaschine, wie einen Radialverdichter oder eine Radialturbine, mit einem Laufrad mit einem Scheibenelement und einem Laufradseitenraum, welcher zumindest zum Teil durch das Scheibenelement des Laufrads und durch eine Laufradseitenraumwand begrenzt wird.The invention relates to a turbomachine, in particular a radial flow machine, such as a centrifugal compressor or a radial turbine, with an impeller with a disc element and an impeller side space, which is at least partially limited by the disc element of the impeller and an impeller side wall.

Radialverdichter sind bekannt, beispielsweise aus der EP 1 356 168 B1 oder der EP 1 602 810 A1 .Radial compressors are known, for example from the EP 1 356 168 B1 or the EP 1 602 810 A1 ,

Solche Radialverdichter bestehen aus einem eine Verdichterstufe bildenden, um eine Drehachse rotierenden Lauf- bzw. Flügelrad mit einem – bezüglich der Drehachse des Laufradsaxialem Eintritt (Laufradeintritt) und einem radialen Austritt (Laufradaustritt).Such radial compressors consist of a compressor stage forming, rotating about an axis of rotation impeller with a - with respect to the axis of rotation of the impeller axial entry (impeller inlet) and a radial outlet (impeller outlet).

Das Lauf- bzw. Flügelrad weist bezüglich der Drehachse umlaufend angeordnete Laufschaufeln auf, welche einerseits durch eine Radscheibe (Scheibenelement) und meist andererseits durch eine Deckscheibe (Scheibenelement) begrenzt werden und zwischen welchen von einem zu verdichtendem Strömungsmedium bzw. Fluid, beispielsweise einem zu verdichtendem Gas, durchströmte Laufradkanäle ausgebildet sind.The impeller has with respect to the axis of rotation circumferentially arranged blades, which are bounded on the one hand by a wheel disc (disc element) and usually by a cover disc (disc member) and between which of a fluid to be compressed or fluid, for example, to be compacted Gas, flowed through impeller channels are formed.

Das zu verdichtende Gas strömt axial in das Laufrad der Verdichterstufe und wird dann – bei Durchströmung der Laufradkanäle – nach außen (radial, Radialrichtung) abgelenkt, wobei es aus dem Laufrad mit hoher Geschwindigkeit austritt.The gas to be compressed flows axially into the impeller of the compressor stage and is then - when flowing through the impeller ducts - deflected outwards (radial, radial direction), emerging from the impeller at high speed.

Kinetische Energie des mit hoher Geschwindigkeit austretenden und zu verdichtenden Gases wird dann in einem Diffusor in potenzielle Energie in Form von Druck umgewandelt.Kinetic energy of the high-velocity gas to be compressed is then converted into potential energy in the form of pressure in a diffuser.

Ein solcher Diffusor wird meist durch zwei nichtrotierende, einen ringförmigen Hohlraum bzw. einen Ringraum ausbildende Ringe gebildet, welcher Ringraum sich an den Laufradaustritt radial anschließt bzw. welche Ringe bzw. ringförmige Wände/Seitenflächen sich an den Laufradaustritt radial anschließen und senkrecht zur Drehachse oder zu dieser in einem sehr stumpfen Winkel stehen (radiale Ringraumwände/radiale Seitenflächen).Such a diffuser is usually formed by two non-rotating, an annular cavity or an annular space forming rings, which annular space radially adjoins the impeller outlet or which rings or annular walls / side surfaces radially adjoin the impeller outlet and perpendicular to the axis of rotation or to these are at a very obtuse angle (radial annular walls / radial side surfaces).

Das aus dem Laufrad austretende Gas wird in diesem Ringraum zwischen diesen beiden ringförmigen Wänden radial nach außen geführt und gelangt zu einem Sammler.The gas exiting the impeller is guided radially outward in this annular space between these two annular walls and reaches a collector.

In einem Übergang von dem Laufrad zu dem Diffusor bzw. am Austritt des Laufrads bildet sich sowohl radscheibenseitig wie auch deckscheibenseitig jeweils ein Spalt zwischen dem Laufrad und der dortigen Wand/Seitenfläche aus, welcher in einen Hohlraum bzw. Kavität (Laufradseitenraum) mündet bzw. übergeht (Eintrittsöffnungen in die Laufradseitenräume). Dieser Laufradseitenraum wird dabei einerseits durch die Radscheibe (radscheibenseitiger Laufradseitenraum) bzw. Deckscheibe (deckscheibenseitiger Laufradseitenraum) des Laufrads und andererseits durch eine der Radscheibe bzw. Deckscheibe des Laufrads gegenüberliegende Laufradseitenraumwand begrenzt.In a transition from the impeller to the diffuser or at the outlet of the impeller, both wheel disc side and cover disc side forms a gap between the impeller and the local wall / side surface, which opens or merges into a cavity or cavity (impeller side space) (Inlets in the impeller side rooms). This impeller side space is limited on the one hand by the wheel disc (wheel side impeller side space) or cover disc (cover disc side Impeller side space) of the impeller and on the other hand by a wheel disc or cover plate of the impeller opposite impeller side wall.

Ein Teil des aus dem Laufrad austretenden Gases strömt – als Leckageströmung – in diese Laufradseitenräume, d. h. den radscheibenseitigen Laufradseitenraum und den deckscheibenseitigen Laufradseitenraum, ein und durchströmt die Laufradseitenräume radial nach innen bzw. entgegen der Durchströmung durch das Laufrad oder – unter bestimmten Druckbedingungen – auch radial nach außen.A portion of the gas exiting the impeller flows - as a leakage flow - in this impeller side rooms, d. H. the wheel-disk-side impeller side space and the cover-side impeller side space, and flows through the impeller side chambers radially inwardly or counter to the flow through the impeller or - under certain pressure conditions - also radially outward.

Es ist ferner bekannt, dass sich in fluidgefüllten Hohlräumen bzw. Kavitäten akustische Eigenmoden ausbilden können, die durch charakteristische Eigenformen und zugehörige Eigenfrequenzen charakterisiert sind. Da es sich bei Fluiden um Kontinua handelt, existieren unendlich viele solcher Eigenmoden.It is also known that acoustic eigenmodes can be formed in fluid-filled cavities or cavities, which are characterized by characteristic eigenmodes and associated natural frequencies. Since fluids are continuums, there are infinitely many such eigenmodes.

Die Laufradseitenräume von Radialverdichtern stellen solche typischen Kavitäten dar, für die diese akustischen Eigenmoden, welche – vereinfacht – jeweils durch eine Anzahl von Knotendurchmessern und eine Anzahl von radialen Knotenlinien charakterisiert werden können, existieren.The impeller side spaces of radial compressors represent such typical cavities for which these acoustic eigenmodes, which - in simplified terms - can each be characterized by a number of nodule diameters and a number of radial nodal lines, exist.

Ebenso können sich in Strukturen, wie in Bauteilen, strukturelle Eigenmoden bzw. Struktureigenmoden ausbilden, die – ebenfalls – durch ihre charakteristischen Eigenformen und die zugehörigen Eigenfrequenzen charakterisiert sind.Structural eigenmodes or structural eigenmodes can also be formed in structures, such as in components, which - likewise - are characterized by their characteristic eigenmodes and the associated natural frequencies.

Eine ebensolche – vereinfachte – Charakterisierung durch eine Anzahl von Knotendurchmessern und eine Anzahl von radialen Knotenlinien lässt sich für diese Struktureigenmoden von den Laufrädern der Radialverdichter machen.Such a simplified characterization by a number of nodule diameters and a number of radial nodal lines can be made for these structural eigenmodes of the impellers of the centrifugal compressors.

Die Form akustischer Druckmuster bzw. Eigenmoden im Laufradseitenraum kann beispielsweise über analytische Zusammenhänge, wie nach einer Formel nach Tyler & Sofrin, abgeschätzt werden. Für die Ermittlung von Struktureigenmoden des Laufrads stehen andere Modelle, wie F & E-Rechnungen, zur Verfügung.The shape of acoustic pressure patterns or eigenmodes in the impeller side space can be estimated, for example, via analytical correlations, such as according to a formula according to Tyler & Sofrin. Other models, such as R & D calculations, are available for determining structural inherent modes of the impeller.

Ferner ist bekannt, dass Radialverdichter relativ hohe Druck- bzw. Schallemissionen verursachen, die neben einer (Lärm-)Beeinträchtigung einer Umgebung des Radialverdichters insbesondere auch Vibrationen und strukturrelevante Fehlfunktionen auslösen können.Furthermore, it is known that radial compressors cause relatively high pressure or sound emissions, in addition to a (noise) impairment of an environment of the centrifugal compressor in particular can also cause vibrations and structure-related malfunctions.

Beispielsweise werden dominante Druck-/Schallquellen in einem Radialverdichter typischerweise am Ort des Laufrads und des Diffusoreingangs bedingt durch die hohe Geschwindigkeit der durch diese Regionen hindurchströmenden Fluide sowie durch eine Interaktion von Rotor- und Statorkomponenten erzeugt.For example, dominant pressure / sound sources in a centrifugal compressor are typically generated at the impeller and diffuser inlet location due to the high velocity of the fluids flowing through these regions, as well as an interaction of rotor and stator components.

Hier ist weiter bekannt, dass durch diese auftretenden Druck-/Schallquellen komplexe, instationäre, dreidimensionale, rotierende und/oder pulsierende Druckfelder erzeugt werden, deren Druck-/Schallwellen sich – über das Fluid bzw. Strömungsmedium – in an die genannten Entstehungsorte – stromabwärts wie auch stromaufwärts – anschließenden Strömungsräume, wie auch in die Laufradseitenräume, ausbreiten.Here is further known that are generated by these pressure / sound sources complex, transient, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields, the pressure / sound waves - via the fluid or flow medium - in to said sources - downstream as also upstream - subsequent flow spaces, as well as in the impeller side rooms spread.

Dadurch, d. h. durch diese druckbedingte Strömungsanregung, ent- bzw. besteht immer auch ein Anregungspotential für die akustischen Eigenmoden in den Laufradseitenräumen.Thereby, d. H. by this pressure-induced flow excitation, there is always an excitation potential for the acoustic eigenmodes in the impeller side chambers.

Als weiterer möglicher Anregungsmechanismus können Wirbelablösungen auftreten, z. B. am Übergang vom Laufradaustritt zu den Eintrittsöffnungen der Laufradseitenräume.As a further possible excitation mechanism vortex shedding may occur, for. B. at the transition from impeller outlet to the inlet openings of the impeller side rooms.

Kommt es dort zu einer Resonanzbedingung aus Strömungsanregung und akustischem Eigenmode, können in den Laufradseitenräumen Druckschwankungen mit sehr hoher Amplitude auftreten.If there is a resonance condition from flow excitation and acoustic eigenmode, pressure fluctuations with very high amplitude can occur in the impeller side spaces.

2 zeigt exemplarisch und in einem Meridianschnitt einen typischen Akustikmode wie er sich im deckscheibenseitigen Laufradseitenraum einstellen kann (unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur). Wie 2 zeigt können in radial weiter außen liegenden Bereichen des Laufradseitenraums hohe Druckschwankungen auftreten (Bereich mit maximaler Druckschwankung/Druckmaximum 24), wohingegen in radial weiter innen liegenden Bereichen im Laufradseitenraum sich geringe Druckschwankungen (Bereich mit minimaler Druckschwankung/Druckminimum 25) einstellen können. 2 shows by way of example and in a meridian section a typical acoustic mode as it can be set in the cover-disk-side impeller side space (different pressure ranges with different hatching). As 2 shows in radially outer regions of the impeller side space high pressure fluctuations occur (range with maximum pressure fluctuation / maximum pressure 24 ), whereas in radially inward areas in the impeller side space small pressure fluctuations (area with minimum pressure fluctuation / pressure minimum 25 ).

Für die Laufräder von Radialverdichtern mit Deck- und Radscheibe kann es dadurch sowohl über die Deckscheibe (ausgehend von dem deckscheibenseitigen Laufradseitenraum) als auch über die Radscheibe (ausgehend von dem radscheibenseitigen Laufradseitenraum) zu einer Anregung des Laufrads kommen.For the wheels of centrifugal compressors with cover and wheel disc, it may thereby come to an excitation of the impeller both on the cover plate (starting from the cover-side impeller side space) and on the wheel disc (starting from the wheel-disk side impeller side space).

Kommt es zu einer Resonanzbedingung aus einer solchen Strömungsanregung, dem akustischem Eigenmode im Laufradseitenraum und dem Struktureigenmode des Laufrads kann dies zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Laufrads führen. Produktionsausfälle und/oder hohe Kosten können in Folge dessen entstehen.If there is a resonance condition from such a flow excitation, the acoustic eigenmode in the impeller side space and the structural eigenmode of the impeller, this can lead to damage or destruction of the impeller. Production losses and / or high costs can arise as a result.

Eine Dämpfung solcher komplexer, instationärer, dreidimensionaler, rotierender und/oder pulsierender Druckfelder bzw. Schallfelder – zur Vermeidung von Vibrationen, strukturrelevanten Fehlfunktionen, insbesondere auch von Beschädigungen oder Zerstörungen von Laufrädern, ist wünschenswert, aber technisch schwierig. Aufgrund einer Komplexität von verschiedenen Interaktionsmechanismen sind derzeit keine Lösungen bekannt, um insbesondere die beschriebenen Laufradschäden – ausgehend bzw. verursacht von den komplexen, instationären, dreidimensionalen, rotierenden und/oder pulsierenden Druckfelder im Radialverdichter auszuschließen.A damping of such complex, unsteady, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields or sound fields - to avoid vibrations, structure-relevant malfunction, especially of damage or destruction of wheels, is desirable, but technically difficult. Due to a complexity of different interaction mechanisms, no solutions are currently known to exclude in particular the described impeller damage - starting or caused by the complex, transient, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields in the centrifugal compressor.

Neben dem Radialverdichter ist als weitere Form einer radial durchströmten bzw. radialen Strömungsmaschine eine Radialturbine bekannt.In addition to the radial compressor is known as a further form of a radially flowed through or radial flow machine, a radial turbine.

Eine solche Radialturbine, wie beispielsweise aus der DE 44 38 611 C2 bekannt, beruht auf einer Umkehrung des physikalischen Prinzips eines Radialverdichters und wird dementsprechend – bei entsprechenden Komponenten wie bei einem Radialverdichter – in umgekehrter Strömungsrichtung wie bei diesem durchströmt.Such a radial turbine, such as from the DE 44 38 611 C2 is known, based on a reversal of the physical principle of a centrifugal compressor and is accordingly - in the same components - as in a radial compressor - flows in the reverse flow direction as in this.

Auch bei Radialturbinen treten – in entsprechender Weise – die beschriebenen Druck- und Schadensprobleme, bedingt durch die in der radialen Strömungsmaschine bzw. in der Radialturbine erzeugten komplexen, instationären, dreidimensionalen, rotierenden und/oder pulsierenden Druckfelder bzw. Schallfelder auf.In the case of radial turbines, too, the described pressure and damage problems occur in a corresponding manner due to the complex, unsteady, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields or sound fields generated in the radial flow machine or in the radial turbine.

Beispielsweise werden dominante Druckquellen in einer Radialturbine ebenfalls typischerweise am Ort des Flügelrades bzw. eines Turbinenrades (beides im Folgenden auch kurz als Laufrad benannt) und eines dem Turbinenrad vorgeschalteten Turbinenleitkranzes oder etwaiger Leitkranzschaufeln erzeugt, wodurch auch hier die komplexen, instationären, dreidimensionalen, rotierenden und/oder pulsierenden Druckfelder bzw. Schallfelder erzeugt werden. Deren Schallwellen breiten sich, wie beschrieben, nahezu ungestört in die Laufradseitenräume der Radialturbine aus und können dort bei Resonanz zu beschriebenen Schädigungen des Laufrads führen.For example, dominant pressure sources in a radial turbine are also typically generated at the location of the impeller or a turbine wheel (both also referred to below as impeller) and a Turbinenleitkranzes upstream or any Leitkranzschaufeln, thereby also the complex, transient, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields or sound fields are generated. Their sound waves spread, as described, almost undisturbed in the impeller side chambers of the radial turbine and can lead there at resonance to described damage to the impeller.

Ausgehend davon sind auch bei solchen druckemissionserzeugenden Radialturbinen effiziente Dämpfungsmaßnahmen für die komplexen, instationären, dreidimensionalen, rotierenden und/oder pulsierenden Druckfelder bzw. Schallfelder, insbesondere zur Vermeidung von Laufradschäden, wünschenswert bzw. nötig.Based on this, efficient damping measures for the complex, transient, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields or sound fields, in particular for avoiding impeller damage, are also desirable or necessary in such pressure-emitting radial turbines.

Neben den radialen Strömungsmaschinen, wie den Radialverdichtern und den Radialturbinen, sind – als weitere Form einer Strömungsmaschine – halbaxiale Strömungsmaschinen bekannt. Bei diesen – vom Aufbau zu den radialen Strömungsmaschinen ähnlichen – Strömungsmaschinen strömt das Strömungsmedium in halbaxialer Richtung vom Laufrad ab. Auch bei diesen halbaxialen Strömungsmaschinen sind durch das Laufrad und die Scheibenelemente begrenzte Laufradseitenräume ausgebildet, in welchen sich ebenfalls die beschriebenen komplexen, instationären, dreidimensionalen, rotierenden und/oder pulsierenden Druckfelder bzw. Schallfelder ausbreiten und dort bei beschriebenen Resonanzen zu den Schädigungen der Laufräder führen können. In addition to the radial flow machines, such as the centrifugal compressors and the radial turbines, - as another form of turbomachine - semi-axial flow machines are known. In these - similar to the structure of the radial flow machines - flow machines, the flow medium flows in a semi-axial direction from the impeller. Also in these semi-axial flow machines limited impeller side spaces are formed by the impeller and the disc elements, in which also the described complex, unsteady, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields or sound fields propagate and can lead there described resonances to the damage of the wheels ,

Weiterhin ist aus der DE 60 2004 002 411 T2 eine Vorrichtung zur Gasverdichtung mit Geräuschdämpfung bekannt, bei dem Resonatoren mit verschieden teifen Zellen in den Radseitenräumen angeordnet sind.Furthermore, from the DE 60 2004 002 411 T2 a device for gas compression with noise damping known, are arranged in the resonators with different teifen cells in the Radseitenräumen.

Die DE 30 31 848 A1 offenbart einen Radialverdichter mit ringförmigen Druckausgleichskammern hinter den Diffusorwänden.The DE 30 31 848 A1 discloses a radial compressor with annular pressure compensation chambers behind the diffuser walls.

Die DE 28 30 294 C3 zeigt ein Zentrifugalverdichtergehäuse mit einem Absorptionsschalldämpfer in den Radseitenräumen. Die US 7 722316 B2 beschäftigt sich mit einem akustischviskosen Dämpfer für Zentrifugalmaschinen aus einer porösen Seitenverkleidung im Diffusor der Abströmung.The DE 28 30 294 C3 shows a centrifugal compressor housing with an absorption silencer in the Radseitenräumen. The US Pat. No. 7,722,316 B2 deals with an acoustically viscous damper for centrifugal machines from a porous side panel in the diffuser of the outflow.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine, insbesondere eine radiale Strömungsmaschine, wie einen Radialverdichter oder eine Radialturbine, vorzusehen, welche die beschriebenen Nachteile bei Strömungsmaschinen aus dem Stand der Technik vermeidet. Insbesondere sollen Laufradschäden bei Strömungsmaschinen, insbesondere bei radialen Strömungsmaschinen, durch die Erfindung auf einfache und kostengünstige sowie effektive und effiziente Weise vermindert bzw. verhindert werden.It is the object of the invention to provide a turbomachine, in particular a radial turbomachine, such as a radial compressor or a radial turbine, which avoids the disadvantages described in turbomachines from the prior art. In particular, impeller damage in turbomachines, in particular in radial flow machines, should be reduced or prevented by the invention in a simple and cost-effective as well as effective and efficient manner.

Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.This object is achieved by a turbomachine having the features according to the independent claim.

Diese Strömungsmaschine, insbesondere eine radiale oder halbaxiale Strömungsmaschine, weist ein Laufrad mit einem Scheibenelement und einen Laufradseitenraum auf. Der Laufradseitenraum wird dabei zumindest zum Teil durch das Scheibenelement des Laufrads und durch eine Laufradseitenraumwand begrenzt.This turbomachine, in particular a radial or semi-axial turbomachine, has an impeller with a disc element and an impeller side space. The impeller side space is thereby limited at least in part by the disk element of the impeller and by an impeller side wall.

Begrenzt kann hierbei meinen, dass das Scheibenelement des Laufrads, insbesondere eine Deckscheibe oder eine Radscheibe des Laufrads, und eine von dem Scheibenelement beabstandete, meist beabstandet gegenüberliegende, Wand, die Laufradseitenraumwand, einen zwischen diesen liegenden Raum ausbilden (Laufradseitenraum). In diesem Raum bzw. Laufradseitenraum kann sich ein Strömungsmedium, wie das Prozessmedium der Strömungsmaschine, befinden und/oder einströmen und/oder dieser Raum bzw. dieser Laufradseitenraum kann von einem Strömungsmedium durchströmt werden.Limited here may mean that the disc element of the impeller, in particular a cover plate or a wheel disc of the impeller, and spaced from the disc element, usually spaced apart, wall, the impeller side wall, form a space between them (impeller side space). In this space or impeller side space, a flow medium, such as the process medium of the turbomachine, can be located and / or flow in and / or this space or this impeller side space can be flowed through by a flow medium.

Richtungsbezeichnungen, wie radial und/oder axial, können dabei im üblichen Verständnis bezüglich einer Laufraddrehachse verstanden werden.Direction designations, such as radial and / or axial, can be understood in the usual understanding with respect to an impeller axis of rotation.

Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass in der Laufradseitenraumwand mindestens ein zu dem Laufradseitenraum hin offener Hohlraum ausgebildet ist.According to the invention, it is further provided that at least one cavity open towards the impeller side space is formed in the impeller side wall.

Offen kann hierbei meinen, dass der Hohlraum eine Hohlraumöffnung – oder auch mehrere Hohlraumöffnungen – aufweist, über welche der Hohlraum derart mit dem Laufradseitenraum in Verbindung steht, dass eine (Druck-)Welle in einem Strömungsmedium von dem Laufradseitenraum in den Hohlraum eintreten bzw. aus dem Hohlraum in den Laufradseitenraum austreten und/oder dass sich eine (Druck-)Welle in dem Strömungsmedium über die Hohlraumöffnung zwischen Hohlraum und Laufradseitenraum ausbilden kann.In this case, open can mean that the cavity has a cavity opening-or else a plurality of cavity openings-via which the cavity communicates with the impeller side space in such a way that a (pressure) shaft enters or leaves the cavity from the impeller side space in a flow medium emerge from the cavity in the impeller side space and / or that a (pressure) wave can form in the flow medium via the cavity opening between the cavity and impeller side space.

Auch kann ausgebildet meinen, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Hohlraum unmittelbar in die Laufradseitenraumwand, beispielsweise in Form einer in die Laufradseitenraumwand eingearbeiteten Nut, Bohrung oder Kammer, oder aber auch mittelbar in die Laufradseitenraumwand, beispielsweise mittels eines in die Laufradseitenraumwand eingebrachten/-gelegten Trägerelements/-platte, welches bzw. welche dann den erfindungsgemäß vorgesehenen Hohlraum, beispielsweise in Form einer Nut, Bohrung oder Kammer, umfasst, eingebracht ist.Also can be designed that the inventively provided cavity directly into the impeller side wall space, for example in the form of an incorporated in the impeller side wall groove, bore or chamber, or even indirectly in the impeller side wall, for example by means of a introduced into the impeller side wall / / carrier element plate, which or which then the inventively provided cavity, for example in the form of a groove, bore or chamber comprises, is introduced.

Dieser erfindungsgemäß vorgesehene Hohlraum kann so als (akustischer) Resonator (Hohlraumresonator) wirken, beispielsweise – bei entsprechender Ausgestaltung – als Helmholtz-Resonator, als Lambda/4 – Resonator und/oder als Lambda/2 – Resonator, – kurz im Folgenden auch nur Resonator.This cavity provided according to the invention can thus act as an (acoustic) resonator (cavity resonator), for example - with a corresponding design - as a Helmholtz resonator, as a lambda / 4 resonator and / or as a lambda / 2 resonator, in the following also only a resonator ,

So können mittels dieses Resonators an dem – zu dem Laufradseitenraum hin offenen – Hohlraum bzw. an der Hohlraumöffnung vorbeilaufende Druckwellen in dem Strömungsmedium (Druckmuster), die eine gleiche Frequenz aufweisen wie eine (akustische) Eigen- bzw. Resonanzfrequenz dieses Hohlraums, insbesondere in einem Bereich der Hohlraumöffnung, beeinflusst bzw. – in Form und Frequenz – verändert werden.Thus, by means of this resonator at the - to the impeller side space open - cavity or at the cavity opening passing pressure waves in the flow medium (pressure pattern), which have a same frequency as an (acoustic) natural or resonant frequency of this cavity, in particular in one Field of Cavity opening, influenced or - in shape and frequency - to be changed.

Durch eine gewählte Geometrie bzw. Form und/oder Dimensionierung des Hohlraums, insbesondere durch eine Tiefe des Hohlraums, eine Breite/Höhe des Hohlraums bzw. der Hohlraumöffnung, werden Eigenform (Eigenmode) bzw. Resonanzfrequenz des Hohlraums bestimmt – und dadurch gezielt diese Beeinflussung und Veränderung des Druckmusters im Laufradseitenraum bewirkt.By a selected geometry or shape and / or dimensioning of the cavity, in particular by a depth of the cavity, a width / height of the cavity or the cavity opening, eigenform (eigenmode) or resonant frequency of the cavity are determined - and thereby specifically influencing and Changes the pressure pattern causes in the impeller side space.

Der Ausgestaltung bzw. der (dreidimensionalen) Geometrie des Hohlraums sind keine Grenzen gesetzt. Wesentlich ist nur die Resonatoreigenschaft bzw. das Resonatorprinzip, beispielsweise das Helmholtz-Prinzip, das Lambda/4-Prinzip und/oder das Lambda/2-Prinzip. Auch eine Kombination verschiedener Prinzipien ist möglich.The design or the (three-dimensional) geometry of the cavity have no limits. Only the resonator characteristic or the resonator principle is essential, for example the Helmholtz principle, the lambda / 4 principle and / or the lambda / 2 principle. A combination of different principles is possible.

Durch eine spezifische Ausgestaltung bzw. Dimensionierung des erfindungsgemäßen Hohlraums – und dadurch Festlegung von Eigenform (Eigenmode) bzw. Resonanzfrequenz des Hohlraums sowie einer (bestimmten) Positionierung des Hohlraums, insbesondere einer bestimmten Radial- und/oder Umfangsposition des Hohlraums in der Laufradseitenraumwand, – oder mehrere solcher Hohlräume – in der Laufradseitenraumwand kann somit ganz gezielt Einfluss auf die akustischen Eigenmoden in dem Laufradseitenraum genommen werden.By a specific design or dimensioning of the cavity according to the invention - and thus determination of eigenform (eigenmode) or resonance frequency of the cavity and a (certain) positioning of the cavity, in particular a specific radial and / or circumferential position of the cavity in the impeller side wall, - or several such cavities - in the impeller side wall space can thus be taken very specific influence on the acoustic eigenmodes in the impeller side space.

Diese akustischen Eigenmoden können dadurch gezielt in ihrer Frequenz (Veränderung von Eigenfrequenzen durch Hohlraumpositionierung) als auch in ihrer Form (Verschiebung von Druckmaxima durch Hohlraumdimensionierung) verändert werden, so dass eine Resonanzbedingung zwischen dem akustischen Eigenmode im Laufradseitenraum und dem Struktureigenmode des Laufrads nicht mehr auftreten kann.These acoustic eigenmodes can thereby be changed in their frequency (change of natural frequencies by cavity positioning) as well as in their shape (displacement of pressure maxima by cavity dimensioning), so that a resonance condition between the acoustic eigenmode in the impeller side space and the structural eigenmode of the impeller can no longer occur ,

Laufradschäden und daraus resultierende Nachteile, wie Kosten, können so verhindert werden.Impeller damage and resulting disadvantages, such as costs, can be prevented.

Veranschaulicht ausgedrückt, tritt in dem – als Resonator wirkenden – spezifisch ausgestalteten Hohlraum eine akustische Resonanz auf, so bildet sich in der Nähe der Hohlraumöffnung ein Knoten für den Schalldruck aus. Dieser Knoten beeinflusst bzw. verändert die akustische Eigenform im Laufradseitenraum in ihrer Frequenz und ihrer Form, so dass eine Resonanzbedingung zwischen dem akustischen Eigenmode im Laufradseitenraum und dem Struktureigenmode des Laufrads nicht mehr auftreten kann.Expressed in an illustrative manner, an acoustic resonance occurs in the specifically designed cavity acting as a resonator, so that a node for the sound pressure forms near the cavity opening. This node influences or alters the acoustic eigenform in the impeller side space in its frequency and its shape, so that a resonance condition between the acoustic eigenmode in the impeller side space and the structural eigenmode of the impeller can no longer occur.

Beispielsweise lassen sich so Druckmaxima in Druckmustern an kritischen Orten im Laufradseitenraum verringern und/oder diese an weniger kritischen Orten im Laufradseitenraum hin verschieben, beispielsweise in Richtung kleinerer Durchmesser bzw. geringerem radialen Abstand zur Laufradachse.For example, pressure maxima in print patterns at critical locations in the impeller side space can be reduced and / or shifted at less critical locations in the impeller side space, for example in the direction of smaller diameter or smaller radial distance from the impeller axis.

Dadurch wird auch die Kopplung mit dem Struktureigenmode des Laufrads gleichen Knotendurchmessers verhindert – und dadurch die Stärke des Anregungspotentials für das Laufrad verringert.As a result, the coupling with the structural eigenmode of the impeller of the same knot diameter is prevented - and thereby reduces the strength of the excitation potential for the impeller.

Durch das Verschieben der Frequenz lässt sich auch eine Resonanzbedingung zwischen akustischem Eigenmode des Laufradseitenraums und Struktureigenmode des Laufrads gänzlich vermeiden.By shifting the frequency, it is also possible to completely avoid a resonance condition between the acoustic eigenmode of the impeller side space and the structural eigenmode of the impeller.

Die Erfindung erreicht somit durch die Verhinderung der möglichen Resonanzbedingung zwischen Struktureigenmode des Laufrads und Akustikeigenmode im Laufradseitenraum – aufgrund der Frequenz- und Formveränderung des Akustikmodes im Laufradseitenraum und Verhinderung der Kopplung zwischen Struktur- und Akustikmode, dass Laufradschäden verhindert werden.Thus, by preventing the possible resonant condition between structural self-mode of the impeller and inherent acoustic mode in the impeller side space, the invention achieves impeller damage due to frequency and shape variation of the acoustic mode in the impeller side space and prevention of coupling between the structural and acoustic modes.

Anders ausgedrückt, durch eine geeignete Ausgestaltung bzw. Dimensionierung und/oder Platzierung des Hohlraums in der Laufradseitenraumwand können die akustische Eigenfrequenz sowie die Eigenform des Hohlraums auf eine zu beeinflussende Druck-/Schallwelle im Laufradseitenraum, d. h. auf deren Frequenz und Eigenform abgestimmt werden.In other words, by suitable design or dimensioning and / or placement of the cavity in the impeller side wall, the acoustic natural frequency and the natural shape of the cavity on a pressure / sound wave to be influenced in the impeller side space, d. H. be tuned to their frequency and eigenform.

Eine solche abzustimmende Frequenz des Akustikmode kann insbesondere – abhängig vom betrachteten Bezugssystem – eine „blade passing frequency” (rotierendes Bezugssystem) oder eine „vane passing frequency” (stillstehendes Bezugssystem) der Strömungsmaschine sein, oder eine höhere Harmonische davon.Such a frequency of the acoustic mode to be tuned may be a "blade passing frequency" or a "vane passing frequency" of the turbomachine, or a higher harmonic thereof, depending on the considered reference system.

Auch kann eine solche abzustimmende Frequenz insbesondere einer Wirbelablösefrequenz entsprechen. Weiterhin kann abhängig von Strömungsverhältnissen in den Laufradseitenräumen eine Frequenzkorrektur gegenüber der im ruhenden Fluid abzustimmenden Frequenz erforderlich sein.Also, such a frequency to be tuned may correspond in particular to a vortex shedding frequency. Furthermore, depending on flow conditions in the impeller side spaces, a frequency correction relative to the frequency to be tuned in the stationary fluid may be required.

Dadurch wird gezielt der akustische Eigenmode im Laufradseitenraum – in Form und Frequenz – geändert.This specifically changes the acoustic eigenmode in the impeller side space - in terms of shape and frequency.

Legt man beispielsweise einen derart abgestimmten Hohlraum so, dass dessen Hohlraumöffnung in den Bereich einer maximalen Amplitude des akustischen Eigenmode im Laufradseitenraum fällt, so werden große Druckamplituden in diesem Bereich verhindert. Das Anregungspotential für den Struktureigenmode des Laufrads wird verringert. Laufradschäden können dadurch verhindert werden.If one places, for example, such a tuned cavity so that its cavity opening falls within the range of a maximum amplitude of the acoustic eigenmode in the impeller side space, then large pressure amplitudes in this area are prevented. The excitation potential for the structural eigenmode of the impeller is reduced. Impeller damage can be prevented.

Weiterhin erweist sich bei der Erfindung von Vorteil, dass durch die Schwächung bzw. Eliminierung der akustischen Resonanzen auch die Schallentstehung positiv beeinflusst wird. Die erfindungsgemäßen Resonatoren wirken so auch geräuschdämpfend und vermindern die Geräuschbelastung durch die Strömungsmaschine. Furthermore, it proves advantageous in the invention that the attenuation or elimination of the acoustic resonances also positively influences the generation of sound. The resonators according to the invention thus also dampen noise and reduce the noise load caused by the turbomachine.

Auch ermöglicht die Erfindung eine robuste und wartungsfreie Lösung, die auch unter hohen Drücken und Temperaturen keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Die Erfindung bietet damit einen deutlichen Vorteil gegenüber auf Absorptionsmaterial beruhenden Dämpfungs-Ansätzen.Also, the invention enables a robust and maintenance-free solution that is not exposed to wear even at high pressures and temperatures. The invention thus offers a distinct advantage over absorbing approaches based on absorption material.

In den an die Laufradseitenräume angrenzenden Bauteilen steht genug Material zur Verfügung, um die erfindungsgemäßen Hohlräume bzw. Resonatoren problemlos zu applizieren. Es kommt so bei der Erfindung zu keiner relevanten Schwächung der Bauteile.In the adjacent to the impeller side walls components is enough material available to apply the cavities or resonators according to the invention easily. It comes so in the invention to no relevant weakening of the components.

Das erfindungsgemäße Resonator-/Hohlraumprinzip bietet darüber hinaus viele Parameter bei der Optimierung der Druckmuster, wie beispielsweise Höhe, Breite, Form und/oder Ort bzw. Position des Hohlraums bzw. Resonators. Dadurch können beispielsweise auch Reibungsverluste durch eine durch eine rotierende Seitenscheibe bzw. Deckscheibe verursachte Scherströmung in dem Laufradseitenraum minimiert werden.The resonator / cavity principle according to the invention also offers many parameters in the optimization of the printing patterns, such as height, width, shape and / or location or position of the cavity or resonator. As a result, it is also possible, for example, to minimize friction losses due to a shear flow in the impeller side space caused by a rotating side window or cover disk.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist der als Resonator wirkende Hohlraum als ein Helmholtz-Resonator, als ein Lambda/4 – Resonator, als ein Lambda/2 – Resonator oder als Kombination mindestens von zwei dieser Resonatoren ausgebildet.According to a preferred development, the cavity acting as a resonator is designed as a Helmholtz resonator, as a lambda / 4 resonator, as a lambda / 2 resonator or as a combination of at least two of these resonators.

Diese Resonatoren bzw. deren Resonator-Prinzipien sind hinreichend bekannt und lassen sich einfach realisieren.These resonators or their resonator principles are well known and can be implemented easily.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der mindestens eine Hohlraum eine vorgegebene Dimensionierung auf. Diese Dimensionierung kann eine vorgegebene Breite und/oder eine vorgegebene Tiefe und/oder eine vorgegebene Form sein.According to a further preferred development, the at least one cavity has a predetermined dimensioning. This dimensioning may be a predetermined width and / or a predetermined depth and / or a predetermined shape.

Auch kann der mindestens eine Hohlraum eine vorgegebene Position in der Laufradseitenraumwand aufweisen. Diese Positionierung kann eine vorgegebene radiale Position und/oder Umfangsposition in der Laufradseitenraumwand sein.Also, the at least one cavity may have a predetermined position in the impeller side wall. This positioning may be a predetermined radial position and / or circumferential position in the impeller side room wall.

Über die Dimensionierung des mindestens einen Hohlraums und/oder die Positionierung des mindestens einen Hohlraums kann eine Eigenfrequenz und/oder eine Eigenform des mindestens einen Hohlraums festgelegt werden.By way of the dimensioning of the at least one cavity and / or the positioning of the at least one cavity, a natural frequency and / or an eigenform of the at least one cavity can be defined.

Weiterhin kann nach einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen sein, dass – über die Dimensionierung des mindestens einen Hohlraums und/oder die Positionierung des mindestens einen Hohlraums – die Eigenfrequenz und/oder die Eigenform des mindestens einen Hohlraums auf eine Eigenfrequenz und/oder eine Eigenform eines Akustikmode des Laufradseitenraums abgestimmt wird. Hierdurch lassen sich Form und Frequenz des Akustikmode gezielt beeinflussen bzw. verändern, wodurch eine Resonanzbedingung zwischen dem Akustikmode des Laufradseitenraums und dem Strukturmode des Laufrads nicht mehr auftreten kann.Furthermore, it can be provided according to a preferred development that - via the dimensioning of the at least one cavity and / or the positioning of the at least one cavity - the natural frequency and / or the eigenform of the at least one cavity to a natural frequency and / or an eigenmode of an acoustic mode of Impeller side room is tuned. As a result, shape and frequency of the acoustic mode can be selectively influenced or changed, whereby a resonance condition between the acoustic mode of the impeller side space and the structural mode of the impeller can no longer occur.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn eine solche abzustimmende Frequenz des Akustikmode – abhängig vom betrachteten Bezugssystem – eine „blade passing frequency” (rotierendes Bezugssystem) oder eine „vane passing frequency” (stillstehendes Bezugssystem) der Strömungsmaschine ist, oder eine höhere Harmonische davon.In particular, it is advantageous if such a frequency of the acoustic mode to be tuned-depending on the reference system considered-is a "blade passing frequency" or a "vane passing frequency" of the turbomachine, or a higher harmonic thereof.

Auch kann eine solche abzustimmende Frequenz insbesondere einer Wirbelablösefrequenz entsprechen.Also, such a frequency to be tuned may correspond in particular to a vortex shedding frequency.

Weiterhin kann abhängig von Strömungsverhältnissen in den Laufradseitenräumen eine Frequenzkorrektur gegenüber der im ruhenden Fluid abzustimmenden Frequenz erforderlich sein.Furthermore, depending on flow conditions in the impeller side spaces, a frequency correction relative to the frequency to be tuned in the stationary fluid may be required.

Gerade diese Frequenzen bzw. deren Schall-/Druckwellen sind für Strukturschäden an Laufrädern wie auch für eine hohe Geräuschentwicklung der Strömungsmaschine verantwortlich.Especially these frequencies or their sound / pressure waves are responsible for structural damage to wheels as well as a high noise level of the turbomachine.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der mindestens eine Hohlraum eine ringförmig in der Laufradseitenraumwand umlaufende Nut, eine oder mehrere in der Laufradseitenraumwand ausgebildete Bohrungen, eine oder mehrere in der Laufradseitenraumwand ausgebildete Kammern oder ein in der Laufradseitenraumwand ausgebildetes Kammernsystem von mehreren untereinander verbundenen Kammern. Auch kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum eine Hohlraumöffnung oder mehrere Hohlraumöffnungen zu dem Laufradseitenraum aufweist. Derartige Formen von Hohlräumen sind einfach fertig- bzw. realisierbar und setzen auf einfache Weise das erfindungsgemäß genutzte (Hohlraum-)Resonatorprinzip um.According to a further preferred development, the at least one cavity is a circumferential groove in the impeller side wall, one or more holes formed in the impeller side wall, one or more chambers formed in the impeller side wall, or a chamber system formed in the impeller side wall of a plurality of interconnected chambers. It can also be provided that the cavity has a cavity opening or a plurality of cavity openings to the impeller side space. Such forms of cavities are easy to accomplish or implement and in a simple manner implement the (cavity) resonator principle used according to the invention.

Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind mehrere dieser Hohlräume mit jeweils unterschiedlichen Hohlraumdimensionierungen, insbesondere mit unterschiedlichen Tiefen, Breiten und/oder Formen, und/oder in jeweils unterschiedlichen Positionen, insbesondere Radial- und/oder Umfangspositionen, in der Laufradseitenraumwand eingebracht. Damit lässt sich ein breitbandiges Frequenzspektrum abdecken. Dadurch können Unsicherheiten bei der Vorhersage von den Resonanzbedingungen berücksichtigt werden.In a further preferred development, several of these cavities are each provided with different cavity dimensions, in particular with different depths, widths and / or or forms, and / or in respectively different positions, in particular radial and / or circumferential positions, introduced in the impeller side wall space. This can cover a broadband frequency spectrum. As a result, uncertainties in the prediction of the resonance conditions can be taken into account.

Beispielsweise kann ein Frequenzspektrum/-band von 700 Hertz–2000 Hertz, 700 Hertz–4000 Hertz oder 700 Hertz–6000 Hertz realisiert werden.For example, a frequency spectrum / band of 700 Hertz-2000 Hertz, 700 Hertz-4000 Hertz or 700 Hertz-6000 Hertz can be realized.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das Scheibenelement eine Deckscheibe und der Laufradseitenraum ein deckscheibenseitiger Laufradseitenraum.According to a further preferred development, the disk element is a cover disk and the impeller side space is a cover disk side impeller side space.

Auch können das Scheibenelement eine Radscheibe und der Laufradseitenraum ein radscheibenseitiger Laufradseitenraum sein.Also, the disc member may be a wheel disc and the impeller side space may be a wheel-side impeller side space.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Strömungsmaschine eine radiale Strömungsmaschine, wie ein Radialverdichter oder eine Radialturbine, oder eine halbaxiale Strömungsmaschine.According to a further preferred development, the turbomachine is a radial turbomachine, such as a radial compressor or a radial turbine, or a semi-axial turbomachine.

Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.The previously given description of advantageous embodiments of the invention contains numerous features, which are given in the individual subclaims partially summarized in several. However, those skilled in the art will conveniently consider these features individually and summarize them to meaningful further combinations.

In Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche im Weiteren näher erläutert werden.In figures, embodiments of the invention are shown, which are explained in more detail below.

Es zeigenShow it

1 Skizze einer Schnittdarstellung (Meridianschnitt) einer radialen Strömungsmaschine, eines Radialverdichters, mit einem Resonator in einer (radscheibenseitigen) Laufradseitenraumwand eines (radscheibenseitigen) Laufradseitenraums bei dem Radialverdichter gemäß einer Ausführungsform; 1 Sketch of a sectional view (meridian section) of a radial flow machine, a radial compressor, with a resonator in a (wheel side) impeller side space wall of a (wheel side) impeller side space in the radial compressor according to one embodiment;

2 exemplarisch einen akustischen Eigenmode in einem Laufradseitenraum (radscheibenseitigen Laufradseitenraum) bei einem herkömmlichen Radialverdichter (unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur); 2 by way of example, an acoustic eigenmode in an impeller side space (wheel-disk-side impeller side space) in a conventional radial compressor (different pressure ranges with different hatching);

3 exemplarisch den Resonator nach 1 in Resonanz (unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur); 3 as an example the resonator 1 in resonance (different pressure ranges with different hatching);

4 exemplarisch einen akustischen Eigenmode in einem Laufradseitenraum (radscheibenseitigen Laufradseitenraum) bei einem Radialverdichter mit einem Resonator in einer (radscheibenseitigen) Laufradseitenraumwand gemäß der Ausführungsform nach 1 (unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur); 4 by way of example an acoustic eigenmode in an impeller side space (wheel-side impeller side space) in a radial compressor with a resonator in a (wheel-side) impeller side space wall according to the embodiment according to 1 (different pressure ranges with different hatching);

5 Skizze einer Schnittdarstellung eines Resonators für eine Laufradseitenraumwand gemäß einer weiteren Ausführungsform; 5 Sketch of a sectional view of a resonator for an impeller side wall space according to another embodiment;

6 Skizze einer Schnittdarstellung eines Resonators für eine Laufradseitenraumwand gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 Sketch of a sectional view of a resonator for an impeller side wall space according to another embodiment.

Ausführungsbeispiele: Laufradseitenräume mit Resonatoren bei radialen Strömungsmaschinen, insbesondere bei Radialverdichtern.Embodiments: Impeller side chambers with resonators in radial flow machines, in particular in radial compressors.

1 zeigt einen Radialverdichter 100 mit einem Resonator 1 in einer (radscheibenseitigen) Laufradseitenraumwand eines (radscheibenseitigen) Laufradseitenraums 4 dieses Radialverdichters 100. 1 shows a centrifugal compressor 100 with a resonator 1 in a (wheel-side) impeller side-space wall of a (wheel-side) impeller side space 4 this radial compressor 100 ,

Ein solcher Radialverdichter 100 wie dargestellt weist ein Laufrad 10 auf, das um eine Achse 11 mit hoher Drehzahl rotiert. Das Laufrad 10 besitzt eine Nabe 12 und davon radial abstehende Schaufeln 13, zwischen welchen sich von einem Prozessgas 2, kurz nur Gas 2, durchströmte Strömungskanäle ausbilden.Such a radial compressor 100 As shown, an impeller 10 up, about an axis 11 rotated at high speed. The impeller 10 owns a hub 12 and radially projecting blades 13 between which is a process gas 2 , short only gas 2 , traversed flow channels train.

Das – mit Strömungsrichtung 3 – axial einströmende Gas 2 wird durch das Laufrad 10 in Rotation versetzt und verlässt das Laufrad 10 in radialer Strömungsrichtung 3 zur Achse 11 und in einem stumpfen Winkel zu der Achse 11.That - with flow direction 3 - axially incoming gas 2 gets through the impeller 10 set in rotation and leaves the impeller 10 in the radial flow direction 3 to the axis 11 and at an obtuse angle to the axis 11 ,

Die Schaufeln 13 sind einerseits über eine gemeinsame Radscheibe 14 der Nabe 12 befestigt sowie andererseits durch eine gemeinsame Deckscheibe 19 begrenzt.The shovels 13 are on the one hand via a common wheel disc 14 the hub 12 attached as well as on the other hand by a common cover plate 19 limited.

Das Laufrad 10 befindet sich in einem Gehäuse 15, wobei sich zwischen dem Laufrad 10, d. h. einerseits der Deckscheibe 19 und andererseits der Radscheibe 14 des Laufrads 10, und dem Gehäuse 15 jeweils Hohlräume, sogenannte Laufradseitenräume 4, 5, ausbilden.The impeller 10 is located in a housing 15 , being between the impeller 10 , ie on the one hand the cover disk 19 and on the other hand, the wheel disc 14 of the impeller 10 , and the case 15 each cavities, so-called impeller side rooms 4 . 5 to train.

Das von dem Laufrad 10 gebildete Gebläse weist einen axialen Einlass 17 und einen sich um den Umfang des Laufrads 10 erstreckenden radialen Auslass 18 auf.That of the impeller 10 formed blower has an axial inlet 17 and one around the circumference of the wheel 10 extending radial outlet 18 on.

An den radialen Auslass 18 schließt sich ein Diffusor 20 an, der mit dem Gehäuse 15 fest verbunden ist und nicht rotiert.To the radial outlet 18 closes a diffuser 20 on, with the case 15 firmly connected and not rotated.

In einem Übergang von dem Laufrad zu dem Diffusor bzw. am radialen Auslass 18 bildet sich sowohl radscheibenseitig wie auch deckscheibenseitig jeweils ein Spalt 16 zwischen dem Laufrad 10 und der dortigen Wand/Seitenfläche 31 aus, welcher in den deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4 bzw. den radscheibenseitigen Laufradseitenraum 5 mündet bzw. übergeht. In a transition from the impeller to the diffuser or at the radial outlet 18 forms both wheel disc side and cover disc side one gap 16 between the impeller 10 and the local wall / side surface 31 out, which in the cover-side impeller side space 4 or the wheel-side impeller side space 5 flows or passes.

Ein Teil des aus dem Laufrad 10 austretenden Gases 2 strömt – als Leckageströmung – in diese Laufradseitenräume 4, 5, d. h. den radscheibenseitigen Laufradseitenraum 5 und den deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4, ein und durchströmt die Laufradseitenräume 4, 5 radial nach innen bzw. entgegen der Durchströmung 3 durch das Laufrad 10.Part of the out of the wheel 10 leaking gas 2 flows - as leakage flow - in this impeller side rooms 4 . 5 , ie the wheel-side impeller side space 5 and the cover-side impeller side space 4 , and flows through the impeller side rooms 4 . 5 radially inward or counter to the flow 3 through the wheel 10 ,

Ein solcher Radialverdichter 100 wie dargestellt verursacht hohe Druck-/Schallemissionen, die strukturrelevante Fehlfunktionen und Vibrationen – bis hin zu Strukturschäden – auslösen können.Such a radial compressor 100 as shown causes high pressure / noise emissions, which can trigger structurally relevant malfunctions and vibrations - up to structural damage.

So werden dominante Druck-/Schallquellen am Ort des Laufrads 10 und am radialen Auslass 18 des Laufrads 10 bedingt durch die hohe Geschwindigkeit des durch diese Regionen hindurchströmenden Gases 2 sowie durch eine Interaktion von Rotor- und Statorkomponenten erzeugt.So become dominant pressure / sound sources at the location of the impeller 10 and at the radial outlet 18 of the impeller 10 due to the high velocity of the gas flowing through these regions 2 and generated by an interaction of rotor and stator components.

Diese auftretenden Druck-/Schallquellen erzeugen komplexe, instationäre, dreidimensionale, rotierende und/oder pulsierende Druckfelder, deren Druck-/Schallwellen sich – über das Gas 2 – auch in die Laufradseitenräume 4, 5, ausbreiten.These occurring pressure / sound sources generate complex, unsteady, three-dimensional, rotating and / or pulsating pressure fields whose pressure / sound waves are - via the gas 2 - also in the impeller side rooms 4 . 5 , spread.

Dadurch, d. h. durch diese druckbedingte Strömungsanregung in den Laufradseitenräumen 4, 5, ent- bzw. besteht immer auch ein Anregungspotential für akustische Eigenmoden in den Laufradseitenräumen 4, 5.As a result, ie by this pressure-induced flow excitation in the impeller side rooms 4 . 5 , there is always an excitation potential for acoustic eigenmodes in the impeller side spaces 4 . 5 ,

Kommt es in den Laufradseitenräumen 4, 5 zu einer Resonanzbedingung aus Strömungsanregung und akustischem Eigenmode, können in den Laufradseitenräumen 4, 5 Druckschwankungen mit sehr hoher Amplitude (vgl. 2 (typischer Akustikmode für einen deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4 ohne Resonator 1), Bereich 24) auftreten.Does it come in the impeller side rooms 4 . 5 to a resonance condition of flow excitation and acoustic eigenmode, in the impeller side rooms 4 . 5 Pressure fluctuations with a very high amplitude (cf. 2 (typical acoustic mode for a cover-side impeller side room 4 without resonator 1 ), Area 24 ) occur.

Für das Laufrad 10 kann es dadurch sowohl über die Deckscheibe 19 (ausgehend von dem deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4) als auch über die Radscheibe 14 (ausgehend von dem radscheibenseitigen Laufradseitenraum 5) zu einer Anregung des Laufrads 10 kommen.For the wheel 10 It can do this both over the cover disk 19 (Starting from the cover-side impeller side space 4 ) as well as over the wheel disc 14 (Starting from the wheel-side impeller side space 5 ) to an excitation of the impeller 10 come.

Kommt es zu einer Resonanzbedingung aus einer solchen Strömungsanregung, dem akustischem Eigenmode im Laufradseitenraum 4, 5 und dem Struktureigenmode des Laufrads 10 kann dies zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Laufrads 10 führen.If there is a resonance condition from such a flow excitation, the acoustic eigenmode in the impeller side space 4 . 5 and the structural natural mode of the impeller 10 This can damage or destroy the impeller 10 to lead.

Um hier solchen druckbedingten Beschädigungen des Laufrads 10 entgegenzuwirken ist wie 1 zeigt in der deckscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 6 ein (Hohlraum-)Resonator 1, kurz Resonator 1, in Form einer in der deckscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 4 eingebrachten Kammer 8 angeordnet.Around here such pressure-related damage of the impeller 10 counteract is like 1 shows in the cover-side impeller side room wall 6 a (cavity) resonator 1 , short resonator 1 , in the form of a in the cover-side impeller side room wall 4 introduced chamber 8th arranged.

Diese – als Resonator 1 wirkende – Kammer 8 steht über eine Öffnung, einem Austrittshals 21, mit dem deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4 in Verbindung.This - as a resonator 1 acting chamber 8th is above an opening, an outlet neck 21 , with the cover-side impeller side space 4 in connection.

Die Kammer 8 mit ihrem Austrittshals 21 ist so im deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4 bzw. in der deckscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 6 platziert, dass der Austrittshals 21 der Kammer 8 in die Bereiche maximaler Amplituden der akustischen Eigenmoden im deckscheibenseitigen Laufradseitenraum 4 fällt (vgl. 2, Bereich 24).The chamber 8th with her exit neck 21 is so in the cover-side impeller side room 4 or in the cover-side impeller side wall space 6 placed that the outlet neck 21 the chamber 8th in the areas of maximum amplitudes of the acoustic eigenmodes in the cover-side impeller side space 4 falls (cf. 2 , Area 24 ).

Tritt in dem Resonator 1, wie 3 veranschaulicht, eine Resonanz auf, so bildet sich in der Nähe des Austrittshalses 21 (Bereich 22 mit vernachlässigbaren Druckschwankungen) ein Knoten 40 für den Schalldruck aus, wohingegen in den Innenbreichen 23 des Resonators 1 hohe Druckschwankungen erzeugt werden (unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur).Kick in the resonator 1 , as 3 illustrates a resonance so it forms near the exit neck 21 (Area 22 with negligible pressure fluctuations) a knot 40 for the sound pressure, whereas in the inner areas 23 of the resonator 1 high pressure fluctuations are generated (different pressure ranges with different hatching).

Dieser – im Bereich des Austrittshalses 21 liegende – Knoten 40 beeinflusst die akustischen Eigenformen im Radseitenraum 4 (vgl. 4, unterschiedliche Druckbereiche mit unterschiedlicher Schraffur), d. h. es werden Akustikmoden im Laufradseitenraum 4 gezielt verändert bzw. unterdrückt (Reflexion), die für den Fall ohne Resonator 1 (vgl. 2) in diesem Bereich 24 große Amplituden aufweisen.This - in the region of the outlet neck 21 lying - knots 40 influences the acoustic modes in the Radseitenraum 4 (see. 4 , different pressure ranges with different hatching), ie there will be acoustic modes in the impeller side space 4 selectively changed or suppressed (reflection), which in the case without a resonator 1 (see. 2 ) in this area 24 have large amplitudes.

Weist die an dem Austrittshals 21 vorbeilaufende Schallwelle die gleiche Frequenz wie die akustische Eigenform in dem Resonator 1, ist der Veränderungseffekt bzw. Beeinflussungseffekt besonders effektiv.Indicates that at the exit neck 21 passing sound wave the same frequency as the acoustic eigenform in the resonator 1 , the effect of change or influencing effect is particularly effective.

D. h., durch die Beeinflussung bzw. Veränderung werden sowohl die Frequenz als auch die Form des Akustikmodes im Laufradseitenraum 4 verändert.That is, by influencing or changing both the frequency and the shape of the acoustic mode in the impeller side space 4 changed.

Dadurch werden die großen Druckamplituden in diesen, bei der Austrittsöffnung 21 des Resonators 1 liegenden Bereichen 24 im Laufradseitenraum 4 verhindert – und diese in weniger kritischen Bereichen 25 im Laufradseitenraum 4, wie in radial weiter innen liegenden Bereichen im Laufradseitenraum 4 bzw. Bereichen kleinerer Durchmesser, verschoben.As a result, the large pressure amplitudes in these, at the outlet opening 21 of the resonator 1 lying areas 24 in the impeller side room 4 prevents - and this in less critical areas 25 in the impeller side room 4 , as in radially inward areas in the impeller side space 4 or areas of smaller diameter, moved.

Durch das Verschieben der Druckmaxima in Richtung kleinerer Durchmesser bzw. radial weiter innen liegenden Bereichen lässt sich die Kopplung mit dem Strukturmode des Laufrads 10 gleichen Knotendurchmessers, und dadurch die Stärke des Anregungspotentials, verringern. Durch das Verschieben der Frequenz lässt sich eine Resonanzbedingung gänzlich vermeiden.By shifting the pressure maxima in the direction of smaller diameter or radially further inward areas, the coupling with the structural mode of the impeller can be 10 same node diameter, and thereby reduce the strength of the excitation potential. By shifting the frequency, a resonance condition can be completely avoided.

4 – im Vergleich zu 2 – zeigt bzw. verdeutlicht diesen Form- bzw. Frequenz-Beeinflussungseffekt bzw. Verschiebungseffekt auf die Akustikmoden durch den Hohlraumresonator 1 im Laufradseitenraum 4. 4 - compared to 2 - Shows or clarifies this shape or frequency influencing effect or displacement effect on the acoustic modes through the cavity resonator 1 in the impeller side room 4 ,

4 zeigt exemplarisch einen akustischen Eigenmode im deckscheibenseitigen, den Resonator 1 aufweisenden Laufradseitenraum 4. 4 shows an example of an acoustic eigenmode in the cover plate side, the resonator 1 having impeller side space 4 ,

4 verdeutlicht – im Vergleich zu 2 –, dass das Druckmaximum im Laufradseitenraum 4 in Richtung kleinerer Durchmesser verschoben ist. Wo – wie 2 für den Fall ohne des Resonators 1 im Laufradseitenraum 4 zeigt – das Druckmaximum dort bei 2 im Bereich 24 auftritt, ist es – wie 4 für den Fall mit dem Resonator 1 im Laufradseitenraum 4 zeigt – dort bei 4 in radial weiter innen liegende – und für das Laufrad 10 weniger kritische – Bereiche 25 im Laufradseitenraum 4 verschoben. 4 clarified - compared to 2 - that the pressure maximum in the impeller side space 4 shifted in the direction of smaller diameter. Where how 2 in the case without the resonator 1 in the impeller side room 4 shows - the maximum pressure there 2 in the area 24 it is - how 4 in the case with the resonator 1 in the impeller side room 4 shows - there 4 in radially further inward - and for the impeller 10 less critical - areas 25 in the impeller side room 4 postponed.

Was 1 und 3 und 4 für den Fall des in der deckscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 6 angeordneten Resonators 1 zeigen, kann in entsprechender Weise für einen Resonator 1 in der radscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 7 realisiert sein.What 1 and 3 and 4 in the case of in the cover plate side impeller side wall 6 arranged resonator 1 can be shown in a corresponding manner for a resonator 1 in the wheel-side impeller side room wall 7 be realized.

5 und 6 zeigen jeweils eine weitere Ausgestaltung eines als Resonator wirkenden Hohlraums 1, wie er in der deck- und/oder radscheibenseitigen Laufradseitenraumwand 6, 7 vorgesehen sein kann. 5 and 6 each show a further embodiment of a cavity acting as a resonator 1 as in the deck and / or wheel side impeller sidewall 6 . 7 can be provided.

5 zeigt – im Schnitt – eine ringförmige Trägerplatte 30, welche in eine entsprechende Aufnehmung bzw. Nut/Rille (nicht gezeigt) in der Laufradseitenraumwand 6, 7 aufnehmbar ist. 5 shows - in section - an annular support plate 30 , which in a corresponding recess or groove / groove (not shown) in the impeller side wall space 6 . 7 is receivable.

In der Trägerplatte 30 sind, wie 5 zeigt, eine Vielzahl von versetzt über den Umfang der Trägerplatte 30 angeordnete Doppelkammern 8 (Kammernsystem 9) eingebracht, welche über Öffnungen 21 mit dem Laufradseitenraum 4, 5 in Verbindung stehen.In the carrier plate 30 are like 5 shows a variety of offset over the circumference of the carrier plate 30 arranged double chambers 8th (Chamber system 9 ), which via openings 21 with the impeller side room 4 . 5 keep in touch.

Aufgrund dessen, dass die Kammern 8 bzw. das Kammernsystem 9 über die Öffnungen 21 mit dem Laufradseitenraum 4, 5 in Verbindung stehen, arbeiten die Kammern 8 bzw. arbeitet das Kammernsystem 9 kollektiv als ein Feld von akustischen Resonatoren und beeinflusst so den Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5.Because of that the chambers 8th or the chamber system 9 over the openings 21 with the impeller side room 4 . 5 communicate, the chambers work 8th or the chamber system works 9 collectively as a field of acoustic resonators, thus affecting the acoustic mode in the impeller side space 4 . 5 ,

6 zeigt – im Schnitt – ebenfalls eine Trägerplatte 30, welche auch in eine entsprechende Aufnehmung bzw. Nut/Rille (nicht gezeigt) in der Laufradseitenraumwand 6, 7 aufnehmbar ist. 6 shows - in section - also a support plate 30 which also into a corresponding recess or groove / groove (not shown) in the impeller side wall space 6 . 7 is receivable.

Auch in dieser Trägerplatte 30 sind, wie 6 zeigt, ein Kammernsystem 9 mit untereinander verbundenen Kammern 8 eingebracht, welche über Öffnungen 21 mit dem Laufradseitenraum 4, 5 in Verbindung stehen.Also in this carrier plate 30 are like 6 shows a chamber system 9 with interconnected chambers 8th introduced, which via openings 21 with the impeller side room 4 . 5 keep in touch.

Auch dieses Kammernsystem 9 wirkt so als akustischer Resonator und beeinflusst den Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5.Also this chamber system 9 acts as an acoustic resonator and influences the acoustic mode in the impeller side space 4 . 5 ,

Durch diesen erfindungsgemäßen Einsatz der Resonatoren 1 bzw. der als Resonatoren wirkenden Hohlräume 1 (vgl. 1, 3, 4, 5 und 6) wird so eine mögliche Resonanzbedingung zwischen dem Struktureigenmode des Laufrads 10 und Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5 auf dreierlei Art vermindert bzw. minimiert:

– durch eine Veränderung der Eigenfrequenz des Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5,
– durch eine gezielte Verschiebung des Druckmaximums 24 des Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5 in Bereiche, 25 in denen eine Laufradanregung unkritisch ist (vgl. 2 und 4),
– durch eine Schwächung der Kopplung zwischen dem Akustikmode im Laufradseitenraum 4, 5 und dem Strukturmode des Laufrads 10.

By this use according to the invention of the resonators 1 or the cavities acting as resonators 1 (see. 1 . 3 . 4 . 5 and 6 ) becomes a possible resonance condition between the natural structure of the impeller 10 and acoustic mode in the impeller side room 4 . 5 reduced or minimized in three ways:

- By changing the natural frequency of the acoustic mode in the impeller side space 4 . 5 .
- By a targeted shift of the maximum pressure 24 of the acoustic mode in the impeller side room 4 . 5 in areas, 25 in which an impeller excitation is not critical (see. 2 and 4 )
- By a weakening of the coupling between the acoustic mode in the impeller side space 4 . 5 and the structural mode of the impeller 10 ,

Laufradschäden und daraus resultierende Nachteile, wie Kosten, können so durch die Erfindung verhindert werden.Impeller damage and resulting disadvantages, such as costs, can be prevented by the invention.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Turbomachine ( 100 ), in particular radial flow machine ( 100 ), with an impeller ( 10 ) with a disc element ( 14 . 19 ) and an impeller side space ( 4 . 5 ), which at least partly through the disc element ( 14 . 19 ) of the impeller ( 10 ) and by an impeller side wall ( 6 . 7 ) is limited, characterized in that in the impeller side wall ( 6 . 7 ) at least one the impeller side space ( 4 . 5 ) open cavity acting as a resonator ( 1 ) is trained.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cavity acting as a resonator ( 1 ) is formed as a Helmholtz resonator, as a lambda / 4 resonator, as a lambda / 2 resonator, or as a combination of at least two of these resonators.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one cavity ( 1 ) has a predetermined dimensioning, in particular a predetermined width and / or predetermined depth and / or predetermined shape.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one cavity ( 1 ) a predetermined position in the impeller side wall ( 6 . 7 ), in particular a predetermined radial position and / or circumferential position in the impeller side wall ( 6 . 7 ).

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that a natural frequency and / or a natural form of the at least one cavity ( 1 ) to a natural frequency and / or eigenmode of an acoustic mode in the impeller side space (FIG. 4 . 5 ), in particular to a vane passing frequency ("blade passing frequency" or "vane passing frequency") of the turbomachine ( 100 ) or a higher harmonic thereof, and / or a vortex shedding frequency.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 1 ) an annular in the impeller side wall ( 4 . 5 ) circumferential groove, one in the impeller side wall ( 4 . 5 ) formed bore, one in the impeller side wall ( 4 . 5 ) trained chamber ( 8th ) or one in the impeller side wall ( 4 . 5 ) trained chamber system ( 9 ) of several interconnected chambers ( 8th ) is.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the cavity ( 1 ) a cavity opening ( 21 ) or a plurality of cavity openings to the impeller side space ( 4 . 5 ) having.

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims characterized by a plurality of these cavities ( 1 ), each with different cavity dimensions, in particular with different depths, widths and / or shapes of these cavities ( 1 ), and / or in each case with different positions, in particular radial and / or circumferential positions, of these cavities ( 1 ) in the impeller side wall ( 4 . 5 ).

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the disc element ( 14 . 19 ) a cover disc ( 19 ) and the impeller side space ( 4 . 5 ) a cover-side impeller side space ( 4 ) or that the disc element ( 14 . 19 ) a wheel disc ( 14 ) and the impeller side space ( 4 . 5 ) a wheel-side impeller side space ( 5 ).

Turbomachine ( 100 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the turbomachine ( 100 ) is a radial flow machine, in particular a radial compressor or a radial turbine, or a semi-axial flow machine.