DE102012206105A1

DE102012206105A1 - Impeller und strömungsmaschine mit dem impeller

Info

Publication number: DE102012206105A1
Application number: DE102012206105A
Authority: DE
Inventors: Kazuyuki Sugimura; Hideo Nishida; Hiromi Kobayashi; Toshio Ito
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-10-18
Also published as: CN102734210B; CN104005991A; ITMI20120590A1; CN104005991B; JP5730649B2; CN102734210A; US20120263599A1; US9157450B2; JP2012219779A

Abstract

Ein Impeller (600, 900) weist eine Nabenplatte und (609) eine Vielzahl von Schaufeln (607, 907) auf, die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte (609) in Abständen über den Umfang angeordnet sind. Jede Schaufel (607, 907) besitzt eine Form, die durch Aufeinanderanordnen einer Vielzahl von Schaufelschnitten (V; 605, 905) in einer auf die Schaufelhöhe jeder Schaufel bezogenen Richtung in einem Referenzimpeller gebildet wird, bei dem sich die Nabenplatte (609) mit den Schaufeln schneidet und der eine Schaufel mit linearen Elementen in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung aufweist, so dass eine Schaufel (607, 907) aus kurvenförmig gekrümmten Elementen (606, 906) gebildet wird. Beim Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte (V; 605, 905) werden die Beträge des tangentialen Versatzes (δY) und der Krümmung (δM), die auf die Schaufelschnitte (V; 605, 905) anzuwenden sind, beim Übergang von der Endfläche des nabenplattenseitigen Endes und/oder der Endfläche des der Nabenplatte (609) gegenüberliegenden Endes zu einem Zwischenteil der Gesamthöhe der Schaufel (607, 907) größer.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Impeller wie beispielsweise einen Zentrifugalimpeller, einen Schraubenradimpeller oder dergleichen sowie auf eine Strömungsmaschine mit dem Impeller und insbesondere auf eine Turbomaschine zur Beaufschlagung eines Arbeitsfluids mit Energie, zum Beispiel auf einen Kompressor, ein Gebläse, einen Lüfter und dergleichen, die Zentrifugalimpeller oder Schraubenradimpeller aufweisen.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein mehrstufiger Kompressor, der eine der Arten von Strömungsmaschinen darstellt, ist so aufgebaut, dass Stufen hintereinandergeschaltet sind, die jeweils zahlreiche koaxial angeordnete Zentrifugalimpeller oder Schraubenradimpeller sowie Diffusoren und Rückführungs-Leitschaufeln aufweisen, die stromabwärts von den entsprechenden Impellern nebeneinander angeordnet sind. Bei einem in dem oben erwähnten mehrstufigen Kompressor verwendeten Impeller werden die Schaufeln in vielen Fällen durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt. Wenn vorgegeben wird, eine Schaufel-Oberflächenform einer im Impeller vorliegenden Schaufel als eine Anordnung linearer Elemente zu definieren, ist die Verwendung eines stabförmigen Bearbeitungswerkzeugs wie etwa eines Fräsers oder dergleichen möglich. In dem oben erwähnten Fall wird eine Seitenfläche eines rotierenden Bearbeitungswerkzeugs an einem als lineares Element der Schaufel zu bearbeitenden Teil zur Anlage gebracht, und die Schaufel wird gefräst, während sie in einer Richtung von der Eintrittsseite zur Austrittsseite des Impellers oder in umgekehrter Richtung verschoben wird. Der obigen Anordnung zufolge wird eine effiziente Bearbeitung erzielt. Da ein Impeller mit linearen Elementen (ein Impeller, der lineare Elemente aufweist) hinsichtlich der Produktivität und Bearbeitbarkeit hervorragend ist, wie oben beschrieben wurde, wird der Impeller mit linearen Elementen häufig in Zentrifugalkompressoren verwendet.
Obgleich die Übernahme eines Impellers mit linearen Elementen unter dem Gesichtspunkt der Herstellung ein bewährtes Verfahren darstellt, ist es wünschenswert, eine Schaufel ohne eine derartige Beschränkung, dass sie als Anordnung linearer Elemente definiert ist, zur Verwendung in einem Impeller anzugeben, die eine Schaufeloberfläche besitzt, die eine freie Oberfläche aufweist, um so die an der Schaufel vorbeiströmende Strömung fein kontrollieren zu können, um die derzeitigen Anforderungen nach einer weiteren Verbesserung der Impellereffizienz zu erfüllen. Im Folgenden wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Impeller, bei dem eine Schaufeloberfläche eine freie Oberfläche aufweist, als Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen bezeichnet.
Beispiele für einen Impeller, der zum Teil gekrümmte Elemente aufweist, sind in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Sho59-90797 /1984 und in dem japanischen Patent 4115180 offenbart. Ein in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Sho59-90797 offenbarter Impeller ist ein offener Impeller (im Folgenden vorkommendenfalls als halbummantelter Impeller bezeichnet), der keine Abdeckplatte (Seitenplatte) auf der Seite einer Abdeckung des Impellers aufweist. Obgleich der in dem japanischen Patent 4115180 offenbarte Impeller insofern der gleiche ist wie der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Sho59-90797, als keine Abdeckplatte (Seitenplatte) auf der Seite der Abdeckung vorliegt, handelt es sich um einen halbummantelten Impeller mit Halbschaufelrad, der zwischen zwei Schaufeln eine Schaufel aufweist, die kürzer ist als diese beiden Schaufeln in ihrer Eintritts-Abmessung. Im Übrigen wird ein Impeller, der eine Abdeckplatte (Seitenplatte) auf der Abdeckungsseite aufweist, als geschlossener Impeller bezeichnet (im Folgenden vorkommendenfalls auch als vollummantelter Impeller bezeichnet).
Der in dem japanischen Patent 4115180 offenbarte Impeller ist ein Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen. Die bei diesem Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen verwendeten Schaufeln werden durch Anordnen von Schaufelschnitten aufeinander erzeugt, die in Höhenrichtung in der Nähe der Vorderkanten der Schaufeln gekrümmt sind, wenn ein Flügelprofil erzeugt werden soll. Aufgrund der oben angegebenen Anordnung ist die Ansammlung eines Fluids niedriger Energie auf einen Bereich einer Strömungspassage einer Schaufel zurückgedrängt, so dass die Effizienz des Kompressors erhöht ist.
Bei der oben erwähnten offengelegten japanischen Patentanmeldung Sho59-90797 und bei dem japanischen Patent 4115180 wird eine Verbesserung des Leistungsvermögens des Kompressors durch Ändern der Anordnung eines Teils um die Vorderkante einer Schaufel herum von einer gewöhnlich verwendeten Anordnung in den halbummantelter Impeller gefördert. Bei dem halbummantelten Impeller, der als Zentrifugalimpeller oder als Schraubenradimpeller verwendet wird, wird eine Leckströmung an der Spitze erzeugt. Auf der anderen Seite wird bei einem vollummantelten Impeller keine Leckströmung an der Spitze erzeugt. Daher kann aufgrund eines Unterschieds im Strömungsbild zwischen Schaufeln selbst dann, wenn eine Schaufel verwendet wird, deren Form bei einem halbummantelten Impeller die beste war, nicht sichergestellt werden, dass ein optimaler Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen erhalten wird, von dem zu erwarten ist, dass die Effizienz bei einem halbummantelten Impeller verbessert ist. Dies bedeutet, dass die Schaufelform, mit der ein optimaler Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen erzielt wird, je nach der Situation unterschiedlich sein kann.
Ein Verfahren zur Herstellung von kurvenförmig gekrümmten Elementen, das sich für einen vollummantelten Impeller eignet, kann, wie oben erwähnt, nicht endgültig festgelegt werden. Man kann sich jedoch leicht vorstellen, dass die Anzahl von kurvenförmig gekrümmte Elemente bildenden Mustern, die tatsächlich zu einer Verbesserung der Effizienz führen würden, für zahlreiche Verfahren zur Erzeugung von Impellern mit kurvenförmig gekrümmten Elementen ziemlich beschränkt ist; daher ist es wünschenswert, kurvenförmig gekrümmte Elemente bildende Muster aufzufinden, die zu einer Verbesserung der Effizienz führen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Gegebenheiten des Standes der Technik gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Effizienz von Strömungsmaschinen, die einen Zentrifugalimpeller oder einen Schraubenradimpeller aufweisen. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die wirksame Begrenzung einer sekundären Strömung zwischen Schaufeln eines Impellers mit kurvenförmig gekrümmten Elementen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Implementierung eines Verfahrens zur Erzeugung eines optimalen kurvenförmig gekrümmten Elements, das heißt, eines optimalen Musters des Aufeinanderanordnens von Schaufelschnitten in Richtung der Gesamthöhe, das zu einer Verbesserung der Effizienz bei einem Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen führen würde.
Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen beispielhaft angegeben wird, werden im Folgenden zunächst Definitionen von technischen Ausdrücken beschrieben, die sich auf den Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen beziehen.
[Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen]
Ein Impeller des Typs, bei dem eine abdeckungsseitige Fläche und eine nabenplattenseitige Fläche des Impellers mit einer Kurve miteinander verbunden sind und eine Vielzahl der Kurven von der Eintrittsseite zur Austrittsseite angeordnet sind, um eine Schaufel zu erzeugen, wird als Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen definiert. Dieses Konzept kontrastiert mit dem eines linearen Impellers.
Bei der Erzeugung eines Impellers mit kurvenförmig gekrümmten Elementen wird die Form einer Schaufel zur Verwendung in einem linearen Impeller, der als Referenz dienen soll, bestimmt, und Schaufelschnitte werden an verschiedenen Positionen innerhalb der Gesamthöhe des linearen Impellers ausgeschnitten. Dann werden die ausgeschnittenen Schaufelschnitte linear bewegt und rotatorisch bewegt oder deformiert und wieder aufeinander angeordnet. Auf diese Weise wird ein Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen mit einer freien Oberfläche erhalten. Im Folgenden wird ein spezielles Verfahren zur Erzeugung eines Impellers mit kurvenförmig gekrümmten Elementen wie oben erwähnt unter Bezug auf 1A, 1B und 2 beschrieben.
1A und 2 sind Diagramme, die ein Verfahren zur Bewegung und Deformierung eines ausgeschnittenen Schaufelschnitts erläutern. 1A ist eine Darstellung eines Schaufelschnitts, der auf der Basis eines zylindrischen Koordinatensystems erläutert wird. Eine Position innerhalb der Gesamthöhe (in einer Richtung senkrecht zur Papieroberfläche in 1A) ist eine beliebige Position. 1B ist ein Diagramm des Schaufelschnitts, welcher der gleiche ist wie in 1A und so gestreckt ist, dass er auf der Basis eines kartesischen Koordinatensystems erläutert werden kann. In den Zeichnungen ist die waagerechte Achse eine meridionale Strömungslinienrichtung m, und die senkrechte Achse ist eine Umfangsrichtung (Richtung θ).
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Zustand veranschaulicht, in dem ausgeschnittene Schaufelschnitte wie in 1A und 1B dargestellt aufeinander angeordnet sind, um eine kurvenförmig gekrümmte Impellerschaufel zu erzeugen. In 2 ist eine Schaufel dargestellt, die aus dem Impeller entnommen wurde. Innerhalb einer Meridianebene (einer R-Z-Ebene) ist eine dimensionslose Schaufelhöhe als h/H definiert, wenn die auf die Gesamthöhe bezogene Höhe von einem Nabenplattenniveau 110 zu jedem Schaufelschnitt längs eines interessierenden linearen Elements gleich h ist und die Gesamthöhe vom Nabenniveau 110 zum abdeckungsseitigen Niveau 120 längs des linearen Elements gleich B ist.
[Tangentialer Versatz]
Tangentialer Versatz bedeutet, einen Schaufelschnitt V eines Impellers in der Umfangsrichtung (Richtung θ) zu bewegen, wobei die Form des Schaufelschnitts V kongruent gehalten wird. Wenn der Schaufelschnitt in einer Richtung der Drehung des Impellers rotatorisch bewegt wird, wird definiert, dass ein positiver tangentialer Versatz angewandt wird.
In den Beispielen in 1A und 1B ist die Bewegung von der Position 101 eines Schaufelschnitts zu der Position 102 eines Schaufelschnitts der tangentiale Versatz. Im oben erwähnten Fall ist der Betrag der Bewegung δθ (rad), wenn er durch das zylindrische Koordinatensystem ausgedrückt wird, und der Betrag der Bewegung in Richtung einer senkrechten Achse ist dann δY, wenn er durch das kartesische Koordinatensystem ausgedrückt wird (1B).
[Schaufelsehne]
Eine Verbindungslinie zwischen einer Vorderkante 202 und einer Hinterkante 203 des Schaufelschnitts V ist als Schaufelsehne C definiert, und eine Richtung von der Vorderkante 202 zur Hinterkante 203 wird als positive Richtung definiert.
[Krümmung]
Unter Krümmung wird die Deformation einer Wölbungslinie des Schaufelschnitts V in einer Richtung der Schaufelsehne C in einem Zustand verstanden, in dem die Position der Hinterkante 203 fest ist und die Form der Wölbungslinie nahezu analog beibehalten wird. Deformation in einer positiven, auf die Sehne bezogenen Richtung wird als positive Krümmung definiert.
Da die Schaufeldicke th geändert wird, wenn die Form des Schaufelschnitts V, das heißt die Konturform selbst einer Schaufelfläche analog deformiert wird, wird lediglich die Wölbungslinie nahezu analog deformiert, wodurch die Schaufeldicke th beliebig festgelegt werden kann. Im Übrigen wird eine Vorderkante 202a nach der Deformation auf der Linie der Schaufelsehne C positioniert, die vor der Deformation erhalten wurde. In 1A und 1B ist das als analoge Deformation vom Schaufelschnitt 101 zu einem Schaufelschnitt 103 erläutert. Hier ist die Hinterkante 203 fest, um den Außendurchmesser R2 des Impellers konstant zu halten, um den theoretischen Durchmesser nicht stark zu ändern. Wenn eine Änderung des theoretischen Durchmessers zulässig ist, kann es nicht immer erforderlich sein, die Position der Hinterkante 203 festzulegen.
Unter den Definitionen, wie sie oben beschrieben wurden, wird zur Lösung der oben angegebenen Aufgaben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Impeller angegeben, der eine Nabenplatte und eine Vielzahl von Schaufeln, die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte in Abständen über den Umfang angeordnet sind, aufweist,
wobei jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln eine Form besitzt, die durch Aufeinanderanordnen einer Vielzahl von Schaufelschnitten in einer auf die Schaufelhöhe jeder Schaufel bezogenen Richtung in einem Referenzimpeller gebildet wird, bei dem sich die Nabenplatte mit den Schaufeln schneidet und der Schaufeln aufweist, die durch lineare Elemente in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung gebildet werden, so dass Schaufeln mit kurvenförmig gekrümmten Elementen erzeugt werden,
und, wenn eine Drehbewegung der Schaufelschnitte in der Richtung der Drehung des Impellers als Anwendung eines positiven tangentialen Versatzes definiert wird, beim Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung der Betrag des auf die Schaufelschnitte anzuwendenden tangentialen Versatzes beim Übergang von der Endfläche des nabenplattenseitigen Endes und/oder der Endfläche des der Nabenplatte gegenüber liegenden Endes zu einem Zwischenbereich der Gesamthöhe der Schaufel größer wird.
Wenn dann bei dem Impeller eine nahezu analoge Verformung und Bewegung der Schaufelschnitte in einer Richtung stromabwärts von der Schaufelsehne als Anwendung einer positiven Krümmung definiert wird, ist es beim Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung bevorzugt, wenn der Betrag der auf die Schaufelschnitte anzuwendenden Krümmung beim Übergang von der Endfläche des nabenplattenseitigen Endes und/oder der Endfläche eines der Nabenplatte gegenüber liegenden Endes zu einem Zwischenbereich der Gesamthöhe der Schaufel größer wird. Es ist auch bevorzugt, wenn der Betrag der nabenplattenseitig angewandten tangentialen Krümmung größer ist als der Betrag der abdeckungsseitig angewandten tangentialen Krümmung. Es ist ferner bevorzugt, wenn ein Maximalwert der angewandten Beträge auf einer Schaufelhöhe erhalten wird, die näher zur Nabenplattenseite hin liegt als zu einem mittleren Teil der Gesamthöhe.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls ein Impeller angegeben, der eine Nabenplatte und eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte in Abständen über den Umfang angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen einer Saugfläche der Schaufeln und der Oberfläche der Nabenplatte und/oder der Oberfläche der Schaufeln an dem der Nabenplatte gegenüber liegenden Ende stumpf ausgebildet ist.
Bei dem Impeller ist es bevorzugt, wenn der Winkel zwischen der Oberfläche der Nabenplatte und/oder der Fläche der Schaufel an dem der Nabenplatte gegenüber liegenden Ende innerhalb einer Meridianebene und einer Kammlinie von Vorderkanten der Schaufel auf der die Schaufel aufweisenden Seite spitz ausgebildet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Impeller angegeben, der eine Nabenplatte und eine Vielzahl von Schaufeln aufweist, die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte in Abständen über den Umfang angeordnet sind, wobei jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln eine Form besitzt, die durch Aufeinanderanordnen von Schaufelschnitten in einer auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung gebildet wird, und eine Schaufel mit kurvenförmig gekrümmten Elementen darstellt, die durch Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung längs einer Kurve gebildet wird, und die Saugfläche jeder der Schaufeln eine solche Form besitzt, dass sie sich über den gleichen Radius des Impellers erstreckt und in Drehrichtung des Impellers an einer Position am meisten vorsteht, die näher zur Nabenplattenseite hin liegt als zum zentralen Teil der Schaufel.
In jedem der oben erwähnten Fälle ist es bevorzugt, wenn der Impeller ein Zentrifugalimpeller oder ein Schraubenradimpeller ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Strömungsmaschine angegeben, die einen oder mehrere Impeller aufweist, die in einem der oben erwähnten Gliederungspunkte beschrieben wurden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einem Zentrifugalimpeller oder einem Schraubenradimpeller eine Sekundärströmung, mit der eine Ansammlung eines Fluids niedriger Energie an einem Eckbereich einer Strömungspassage zwischen Schaufeln beschleunigt wird, zurückgedrängt werden, da die Form eines Schaufelschnitts auf der Austrittsseite eines Impellers in Richtung der Drehung vorsteht und abdeckungsseitig relativ zur Nabenplattenseite zurücktritt, wodurch die Effizienz der Strömungsmaschine erhöht wird. Wenn dazu der obige Impeller ein Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen ist, wird die Form erzielt, mit welcher der sekundäre Strom weiter verringert werden kann, wodurch die Effizienz der Strömungsmaschine weiter verbessert wird. Darüber hinaus kann ein Verfahren zur Erzeugung von optimalen kurvenförmig gekrümmten Elementen, das heißt, ein optimales Muster der Aufeinanderanordnung von Schaufelschnitten in Richtung der Gesamthöhe, das zu einer Verbesserung der Effizienz führt, durch Kombinieren von Krümmung mit tangentialem Versatz implementiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
1A und 1B erläutern ein Schnittdiagramm einer Meridianebene bzw. einen vergrößerten Aufriss davon, die einen Impeller gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Impeller gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 ist eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines mehrstufigen Zentrifugalkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung;
4A und 4B stellen eine Schnittzeichnung einer Meridianebene und eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines herkömmlichen Zentrifugalkompressors dar;
5A und 5B stellen eine Schnittzeichnung einer Meridianebene und eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels des herkömmlichen Zentrifugalkompressors dar;
6A und 6B stellen eine Schnittzeichnung einer Meridianebene und eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Zentrifugalkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Anwendung eines tangentialen Versatzes erläutert;
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für die Anwendung einer Krümmung erläutert;
9A und 9B stellen eine Schnittzeichnung einer Meridianebene und eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Zentrifugalkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
10 ist ein Querschnitt eines Impellers bei einem bestimmten Radius und erläutert eine Schaufel-Durchgangsströmung in Ansicht von der stromabwärts liegenden Seite;
11A und 11B sind Diagramme, die jeweils eine Strömung an einem Fußteil einer Schaufel an einer Vorderkante erläutern,
und
12 ist ein Diagramm, das Effizienzkurven einer Ausführungsform eines Impellers gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird ein zweistufiger Zentrifugalkompressor als Beispiel für eine Strömungsmaschine beschrieben. 3 ist eine Längsschnittansicht des zweistufigen Zentrifugalkompressors. Obgleich der zweistufige Zentrifugalkompressor 300 hier als Beispiel für einen mehrstufigen Zentrifugalkompressor angegeben wird, ist die vorliegende Erfindung auch auf einstufige oder mehrstufige Strömungsmaschinen mit Zentrifugalimpellern oder Schraubenradimpellern anwendbar und nicht auf den zweistufigen Zentrifugalkompressor beschränkt.
Der zweistufige Zentrifugalkompressor 300 umfasst eine erste Stufe 301 und eine zweite Stufe 302. Ein Impeller 308 der ersten Stufe und ein Impeller 311 der zweiten Stufe sind auf der gleichen Drehachse 303 und bilden einen Rotor. Die Drehachse 303 und die Impeller 308 und 311 der ersten und der zweiten Stufe sind in einem Kompressorgehäuse 306 aufgenommen und in einem Wellenlager 304 und einem Drucklager 305 drehbar gelagert, die im Kompressorgehäuse 306 vorgesehen sind.
Ein Diffusor 309, der den Druck eines Betriebsgases rückgewinnt, das durch den Impeller 308 komprimiert wurde, um eine radial nach außen gerichtete Strömung zu erzeugen, und ein Rückführungs-Leitapparat 310, der die Strömung des Betriebsgases, die radial nach außen gerichtet wurde, in eine radial nach innen gerichtete Strömung umwandelt und die radial nach innen gerichtete Strömung zum Impeller 311 der zweiten Stufe leitet, sind stromabwärts vom Impeller 308 der ersten Stufe angeordnet. In ähnlicher Weise sind stromabwärts vom Impeller 311 der zweiten Stufe ein Diffusor 312 und eine Druckrückgewinnungseinheit 313, die als Kollektor oder Scroll bezeichnet wird, zum Fördern des Betriebsgases, dessen Druck durch den Diffusor 312 der zweiten Stufe erhöht wurde, nach außen zum Sammler vorgesehen.
Der Impeller 308 der ersten Stufe weist eine Nabenplatte 308a, eine Abdeckplatte 308b und eine Vielzahl von Schaufeln 308c auf, die in nahezu gleichen Abständen in Umfangsrichtung zwischen der Nabenplatte 308a und der Abdeckplatte 308b vorgesehen sind. In ähnlicher Weise umfasst der Impeller 311 der zweiten Stufe eine Nabenplatte 311a, eine Abdeckplatte 311b und eine Vielzahl von Schaufeln 311c, die in nahezu gleichen Abständen in Umfangsrichtung zwischen der Nabenplatte 311a und der Abdeckplatte 311b vorgesehen sind. Auf der Eintrittsseite jedes der Impeller 308 und 311 ist eine Eingangs-Labyrinthdichtung 315 an einem äußeren Umfangsteil jeder der Abdeckplatten 308b und 311b vorgesehen, und eine Stufen-Labyrinthdichtung 316 und eine Ausgleichs-Labyrinthdichtung 317 sind auf der Seite der Rückflächen der Nabenplatten 308a beziehungsweise 311a angeordnet.
Das durch eine Ansaugdüse 307 eingetretene Betriebsgas wird durch den Impeller 308 der ersten Stufe, den Schaufel-Diffusor 309, den Rückführungs-Leitapparat 310, den Impeller 311 der zweiten Stufe und den Schaufel-Diffusor 312 in dieser Reihenfolge geführt und zu der Druckrückgewinnungseinheit 313 wie etwa einen Kollektor oder Scroll geleitet. Obgleich in 3 als Diffusoren mit Schaufeln versehene Diffusoren dargestellt sind, können auch schaufellose Diffusoren Verwendung finden.
Ein Impeller 400 mit linearen Elementen nach dem einschlägigen Stand der Technik ist zur leichteren Erläuterung in 4A und 4B dargestellt. Eine Wölbungsfläche einer Schaufel 407 in einer Meridianebene ist in 4A veranschaulicht. Dargestellt sind eine nabenplattenseitige Begrenzung 401 und eine abdeckungsseitige Begrenzung 402, welche die Wölbungsfläche vorgeben, und Wölbungslinien 405 von fünf Schaufelschnitten, die zwischen den Begrenzungslinien 401 und 402 liegen. Somit werden bei dem in 4A dargestellten Impeller insgesamt sieben Schaufelschnitte verwendet, und die Schaufeln 407 des Impellers 400 sind durch diese sieben Schaufelschnitte definiert. Die Bezugszahl 403 bezeichnet die Vorderkante der Schaufeln 407, und die Bezugszahl 404 bezeichnet die Hinterkante der Schaufeln 407. Bei dem Impeller 400 werden eine Vielzahl von linearen Elementen 406 zum Anordnen der Schaufelschnitte aufeinander verwendet.
4B ist eine perspektivische Ansicht des Impellers 400. Die Oberfläche der Schaufel 407 ist als Anordnung von linearen Elementen 408 aufgebaut, die von der nabenplattenseitigen Begrenzung 401 zur abdeckungsseitigen Begrenzung 402 gerichtet sind. Das lineare Element ist in 4A als das lineare Element 406 und in 4B als das lineare Element 408 dargestellt. Bei dem Impeller 400 mit linearen Elementen, wie er in 4B dargestellt ist, ist es schwierig, eine zwischen Schaufeln gebildete sekundäre Strömung genau zu kontrollieren.
5A und 5B veranschaulichen ein weiteres Beispiel für den herkömmlichen Impeller als Impeller 500 mit linearen Elementen. Der Impeller 500 unterscheidet sich von dem Impeller 400 in 4A und 4B darin, dass die Vorderkante einer Schaufel 507 nicht durch ein lineares Element gebildet wird und eine durch eine Vielzahl von aneinander angrenzenden linearen Elementen 521 _i (i = 1, 2, ...) gebildete Fläche so geschnitten ist, dass sie in der Form einer Meridianebene zur Eintrittsseite vorsteht. Dies bedeutet, dass eine Kammlinie 503, die durch die Verbindung von Vorderkanten entsprechender Schaufelschnitte von der Nabenplattenseite zur Abdeckungsseite definiert ist, in Richtung der Schaufelhöhe gekrümmt ist. Bei diesem Beispiel des Standes der Technik sind Schaufelschnitte 505 längs eines linearen Elements 506 oder 508 aufeinander angeordnet und bilden eine Schaufel 507 wie im Fall des einschlägigen Standes der Technik in 4A und 4B. Im Übrigen ist das lineare Element in 5A als das lineare Element 506 und in 5B als das lineare Element 508 dargestellt. Die Strömung in der Nachbarschaft einer Vorderkante 503 einer Schaufel wird teilweise im Impeller 500 kontrolliert. Da allerdings die Charakteristik der Strömung zwischen Schaufeln im Wesentlichen die gleiche ist wie bei dem in 4A und 4B dargestellten Impeller 400, ist es schwierig, die sekundäre Strömung ausreichend zu kontrollieren.
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 8 bis 12 beschrieben, wobei sie mit den obigen Beispielen des einschlägigen Standes der Technik verglichen werden. 6A und 6B sind Darstellungen, die eine Ausführungsform eines Impellers mit kurvenförmig gekrümmten Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wobei 6A eine Darstellung ist, welche die Form einer Schaufel eines Impellers 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen in einer Meridianebene (R-Z-Ebene) zeigt, und 6B ist eine perspektivische Ansicht davon.
In 6A ist bei dem Impeller 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen eine Strömungspassage 610 durch eine nabenplattenseitige Begrenzung 601 und eine abdeckungsseitige Begrenzung 602 definiert. Schaufeln 607 aus kurvenförmig gekrümmten Elementen, die jeweils eine Vielzahl von kurvenförmig gekrümmten Elementen 606 aufweisen, sind innerhalb der Strömungspassage 610 in Abständen über den Umfang angeordnet. In 6A ist die Schaufel 607 unter Verwendung von Schaufelschnitten 605 veranschaulicht. Ein kurvenförmig gekrümmtes Element 606 dient als Leiteinrichtung zum Anordnen der Schaufelschnitte aufeinander. Obgleich ein kurvenförmig gekrümmtes Element 606 in einer Projektionszeichnung der Medianebene in manchen Fällen wie ein lineares Element aussehen kann, wie später beschrieben ist (siehe 9A und 9B), ist es in der tatsächlichen Form gekrümmt.
Wie in 6B dargestellt ist, sind die Vielzahl der Schaufeln 607 bei dem Impeller 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen in nahezu gleichen Abständen auf einer Oberfläche einer Nabenplatte 609 über den Umfang angeordnet. Die Schaufel 607 ist durch Anordnen der Schaufelschnitte aufeinander längs eines kurvenförmig gekrümmten Elements 608 von der nabenplattenseitigen Begrenzung 601 bis zur abdeckungsseitigen Begrenzung 602 aufgebaut, und die Oberfläche der Schaufel ist als freie Oberfläche ausgebildet. Da bei der vorliegenden Erfindung kurvenförmig gekrümmte Elemente verwendet werden, ist der Freiheitsgrad beim Anordnen der Schaufelschnitte aufeinander größer als bei einem Impeller mit linearen Elementen. Daher ist es zulässig, die Oberfläche jeder Schaufel frei zu neigen und dadurch die Richtung der auf ein Fluid angewandten Kraft zu kontrollieren, was bedeutet, dass eine zwischen Schaufeln gebildete sekundäre Strömung zulässig ist.
Als Nächstes werden Beispiele für den Impeller 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, der so aufgebaut ist, dass die oben erwähnte, zwischen Schaufeln erzeugte sekundäre Strömung frei kontrolliert werden kann, unter Bezug auf 7 und 8 beschrieben. 7 veranschaulicht ein Beispiel für den Impeller 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, auf den der tangentiale Versatz δY angewandt wurde. Die waagerechte Achse gibt einen Wert an, der durch Dimensionslosmachen des Betrags δY der Drehbewegung (tangentialer Versatz) eines Schaufelschnitts mit der Schaufelsehne C erhalten wurde. Die senkrechte Achse gibt die dimensionslose Schaufelhöhe h/H an.
Als Methode zur Anwendung des tangentialen Versatzes δY wird der tangentiale Versatz δY, der auf eine Schaufel eines Impellers mit linearen Elementen angewandt wird, der als Vergleichsreferenz dient und lineare Elemente aufweist, die senkrecht zur Oberfläche der Nabenplatte liegen, beim Übergang von einem nabenplattenseitigen Schaufelschnitt zu einem Schaufelschnitt auf einem Zwischenteil der Gesamthöhe und vom Übergang von einem abdeckungsseitigen Schaufelschnitt zum Schaufelschnitt auf dem Zwischenteil der Gesamthöhe vergrößert. Wenn der tangentiale Versatz δY in der oben angegebenen Weise auf die Schaufel angewandt wird, ist die Saugfläche der Schaufel 607, die sich auf der Rückseite (in einer negativen Richtung, bezogen auf die Drehrichtung) befindet, eingezogen, wie in 6B veranschaulicht ist. Darüber hinaus besitzt ein Schaufelschnitt, der näher zum mittleren Teil der Gesamthöhe liegt als andere Schaufelschnitte, eine solche Form, dass er mehr vorsteht (in einer positiven Richtung, bezogen auf die Drehrichtung) als Schaufelschnitte auf der Nabenplattenseite und der Abdeckungsseite. In dem oben erwähnten Fall wird der Winkel zwischen der Saugfläche der Schaufel 607 und der Oberfläche der Nabenplatte und/oder der Oberfläche der Abdeckung stumpf gemacht.
Anwendungs-Profile 701 und 702 des tangentialen Versatzes δY, die in 7 dargestellt sind, werden so gewählt, dass sie die oben erwähnten Charakteristiken erfüllen und zu einer Verbesserung der Effizienz des Impellers führen. Da hier der tangentiale Versatz δY, der auf die nabenplattenseitige Oberfläche und auf die abdeckungsseitige Oberfläche angewandt wird, bei dem Profil 701 Null ist, sind die Umfangspositionen der Schaufelschnitte auf der Nabenplattenseite und auf der Abdeckungsseite gleich, und daher wird durch Anwendung des Profils 701 eine Schaufel mit ausgezeichneter Festigkeit erhalten. Das Profil 702 zeigt, dass der tangentiale Versatz δY, der auf die Abdeckungsseite angewandt wird, größer gemacht wird als der Versatz, der auf die Nabenplattenseite angewandt wird, so dass die Position 706 eines nabenplattenseitigen Schaufelschnitts in Drehrichtung vor der Position eines abdeckungsseitigen Schaufelschnitts liegt, so dass im Vergleich mit dem Profil 701 eine Verbesserung der Effizienz des Impellers erzielt wird.
In den Anwendungs-Profilen 701 und 702 des tangentialen Versatzes δY werden die auf die Schaufelhöhe bezogenen Positionen 705 und 708, wo der tangentiale Versatz Maximalwerte erreicht, etwas näher zu ihren Nabenplattenseiten als zu den Seiten der Mitte ihrer Gesamthöhe festgelegt. Der Grund hierfür liegt darin, dass bekannt ist, dass bei einem Zentrifugalimpeller und einem Schraubenradimpeller in vielen Fällen das Zentrum einer Schaufel-Hauptströmung näher an der Nabenseite als an der Abdeckungsseite liegt und eine Erhöhung der Neigung der Schaufel an einem Punkt, der sich oberhalb oder unterhalb der zentralen Position der Schaufel-Hauptströmung befindet und von der Hauptströmung abweichend ist, zu einer Verbesserung der Effizienz des Impellers führt. Im Übrigen liegt die Bedeutung des tangentialen Versatzes δY, der in 7 an der waagrechten Achse angegeben ist, nicht in seinem Absolutbetrag, sondern darin, dass eine relative Positionsbeziehung, wie oben erwähnt, damit erzielt wird.
Ein weiteres Beispiel für den Impeller 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, der eine Kontrolle der Strömung zwischen den Schaufeln erlaubt, wird unter Bezug auf 8 beschrieben. 8 zeigt ein Beispiel des Impellers 600 mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, auf den die Krümmung δM angewandt wurde. Die waagerechte Achse gibt einen Wert an, der durch Dimensionslosmachen eines Bewegungs- und Deformationsbetrags (der Krümmung) δM der Vorderkante eines Schaufelschnitts mit der Schaufelsehne C erhalten wurde. Die senkrechte Achse gibt die dimensionslose Schaufelhöhe h/H an. In dem Beispiel ist die Krümmung δM in einer Richtung von einem nabenplattenseitigen Schaufelschnitt zu einem Schaufelschnitt an einem Zwischenteil der Gesamthöhe und in einer Richtung von einem abdeckungsseitigen Schaufelschnitt zu dem Schaufelschnitt am Zwischenteil der Gesamthöhe schrittweise erhöht. Wenn die Krümmung δM wie oben erwähnt auf die Schaufel angewandt wird, besitzt die Vorderkante der Schaufel 607 eine solche Form, dass ein auf die Mitte der Gesamthöhe bezogener Teil davon zur Stromabwärtsrichtung der Strömungsrichtung eingezogen ist. In diesem Fall wird der Winkel zwischen einer Kammlinie der Vorderkanten der Schaufel 607 und der der Nabenplattenoberfläche und/oder der Abdeckungsoberfläche spitz gemacht, wenn er auf der Seite gemessen wird, welche die Schaufel umfasst.
8 veranschaulicht drei Anwendungsprofile 801, 802 und 803 der Krümmung δM. Die drei Anwendungsprofile 801, 802 und 803 werden erhalten, wenn die Krümmung δM, wie oben erwähnt, auf die Schaufel 607 angewandt wurde. Das Profil 801 zeigt an, dass die Krümmung δM so angewandt ist, dass ein zentraler Teil 806 der Vorderkante der Schaufel 607 eingezogen ist, ohne die Positionen der nabenplattenseitigen und der abdeckplattenseitigen Schaufelschnitte zu bewegen. Da das Profil 801 lediglich durch zusätzliche Bearbeitung einer Vorderkante einer herkömmlichen Impellerschaufel erhalten wird, hat das Profil 801 den Vorteil, dass es eine bequeme Herstellung eines Impellers mit annähernd kurvenförmig gekrümmten Elementen erlaubt.
Die Anwendungsprofile 802 und 803 zeigen an, dass die Krümmung δM, die auf einen nabenplattenseitigen Schaufelschnitt angewandt ist, relativ kleiner gemacht ist als die auf einen abdeckungsseitigen Schaufelschnitt angewandte Krümmung, so dass die nabenplattenseitige Position 807 des Schaufelschnitts noch weiter als die abdeckungsseitige Position 808 des Schaufelschnitts zur Stromaufwärtsseite vorsteht, wodurch die Verbesserung der Effizienz gefördert wird. Im Übrigen sind die Formen der Profile 802 und 803 auf den Teilen, die auf Zwischenhöhen der Gesamthöhe liegen, voneinander verschieden ausgelegt. Der Grund hierfür ist wie folgt.
Die Position 809 maximaler Krümmung des Profils 802 ist nahezu auf der Mitte der Gesamthöhe festgelegt. Auf der anderen Seite liegt die Position 808 maximaler Krümmung des Profils 803 näher zur Nabenplattenseite als zur Mitte der Gesamthöhe. Da bei der Strömung in einem Impeller der Hauptstrom unter Ablenkung zur Nabenplattenseite hin fließt, wie oben erwähnt, wird die Position der maximalen Krümmung des Profils 803 wie oben erwähnt festgelegt, um die Ablenkung des Hauptstroms zu beherrschen.
Verteilungen, bei denen die Krümmung δM auf die Schaufel 607 angewandt ist, werden so erzeugt, dass sie voneinander verschieden sind, wie aus den Profilen 802 und 803 ersichtlich ist. Da ein Unterschied in der Verteilung lediglich im Bereich der Vorderkante der Schaufel 607 zu beobachten ist, bevor der Hauptstrom anwächst, ist ein Unterschied in der Form des Impellers 600, wenn die Krümmung angewandt wurde, wie durch das Profil 802 angegeben ist, und wenn die Krümmung angewandt wurde, wie durch das Profil 803 angegeben ist, nicht so merklich festzustellen wie wenn der tangentiale Versatz δY angewandt wurde, und es wird nahezu die gleiche Verbesserung der Effizienz erzielt. Im Übrigen liegt die Bedeutung der Krümmung δM, die längs der waagerechten Achse in 8B angegeben ist, nicht in ihrem absoluten Betrag, sondern liegt darin, dass eine relative Positionsbeziehung, wie oben erwähnt, damit erzielt wird, wie dies beim tangentialen Versatz der Fall ist.
Sowohl der tangentiale Versatz δY als auch die Krümmung δM sind auf den Impeller 600 angewandt, der in 6A und 6B dargestellt ist und somit eine Form aufweist, mit der eine höchstmögliche Effizienz zu erwarten ist. Allerdings kann ein Impeller mit verbesserter Effizienz sogar dann erhalten werden, wenn lediglich der tangentiale Versatz δY oder die Krümmung δM angewandt wird. 9A und 9B veranschaulichen ein Beispiel für einen Impeller 900, auf den lediglich der tangentiale Versatz δY angewandt wurde.
Bei dem Impeller 900 sind eine Vielzahl von Schaufeln 907 in nahezu gleichen Abständen über den Umfang zwischen einem nabenplattenseitigen Schaufelschnitt 901 und einem abdeckungsseitigen Schaufelschnitt 902 vorgesehen. Eine Vielzahl von kurvenförmig gekrümmten Elementen 906 erstrecken sich von einer Vorderkante 903 der Schaufel zu einer Hinterkante 904 der Schaufel, und Schaufelschnitte 905 sind längs der kurvenförmig gekrümmten Elemente 906 aufeinander angeordnet.
Da die Krümmung δM gemäß dieser Ausführungsform nicht auf den Impeller 900 angewandt ist, ist die Darstellung einer Meridianebenprojektion der kurvenförmig gekrümmten Elemente 906 geradlinig und sieht aus, als ob die Schaufelschnitte 905 längs der linearen Elemente in 9A aufeinander angeordnet wären. Da jedoch der tangentiale Versatz δY auf den Impeller 900 angewandt ist, ist festzustellen, dass die Oberfläche der Schaufel 907 in Umfangsrichtung gekrümmt und durch kurvenförmig gekrümmte Elemente 908 aufgebaut ist, wie in 9B dargestellt ist. In der oben erwähnten Situation steht auf der Saugfläche der Schaufel 907, die der Rückseite der Drehrichtung des Impellers 900 entspricht, eine zur Oberfläche der Nabenplatte hin gelegene Position gegenüber der abdeckungsseitigen Position in Drehrichtung vor (in einer positiven Richtung), und eine Position, die in Drehrichtung am meisten vorsteht, liegt etwas näher zur Seite der Oberfläche der Nabenplatte als zum mittleren Teil der Gesamthöhe.
Als Nächstes werden Strömungen in einem Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, unter Bezug auf 10, 11A und 11B beschrieben. 10 ist eine Darstellung, welche die Wirkung erläutert, die durch Anwendung des tangentialen Versatzes δY erzielt wird. Bei einem Impeller 1000, auf den der tangentiale Versatz δY angewandt wurde, ist eine Strömungspassage 1010 zwischen zwei einander benachbarten Schaufeln 1001 definiert. 10 veranschaulicht die Strömungspassage 1010 in einem Schnitt des Impellers 1000 mit einem Radius r (r willkürlich) in Ansicht von der stromabwärts liegenden Seite.
Da die Schaufel 1001 eine Schaufelwirkung besitzt, erzeugen durch Wirbel des Schaufelelements induzierte Geschwindigkeiten 1006 und 1007 eine Zirkulation um die Schaufel. Die induzierte Geschwindigkeit 1006 ist senkrecht zur Papieroberfläche nach unten an einer Druckfläche 1004 ausgerichtet, und die induzierte Geschwindigkeit 1007 ist in Richtung der Papiervorderseite auf eine Saugfläche 1005 ausgerichtet.
An einem Eckteil 1008, wo die Saugfläche 1005, von der eine Strömung sich zu trennen neigt, die Oberfläche einer Nabenplatte 1002 schneidet, und einem Eckteil 1009, wo die die Saugfläche 1005 die Oberfläche einer Abdeckplatte 1003 schneidet, ist die Dichte der induzierten Geschwindigkeitslinien verringert und daher die induzierte Geschwindigkeit 1007 verringert. Das bedeutet, dass an dem Eckteil 1009 die Geschwindigkeit der Strömung verringert und der Druck erhöht ist. Als Ergebnis ist eine sekundäre Strömung 1011, die von der Druckfläche zur Saugfläche verläuft, eingeschränkt, und die Ansammlung eines Fluids niedriger Energie am Eckteil 1009 ist verringert, wodurch ein durch die sekundäre Strömung induzierter Strömungsverlust verringert wird.
11A und 11B sind Darstellungen, die Einzelheiten des Teils A in 6A veranschaulichen und die durch Anwendung der Krümmung δM hervorgerufene Wirkung erläutern. Da Gleiches auch für Teil B in 6A gilt, wird hier lediglich Teil A beschrieben. 11A und 11B veranschaulichen schematisch Ablenkungszustände von Einströmungen in der Nähe von Enden, wo die Vorderkanten 1101 und 1104 einer Schaufel 1120 eines Impellers 1100 eine Abdeckung 1110 schneiden. 11A ist eine Darstellung, die eine Strömung auf der Seite einer Druckfläche erläutert, und 11B ist eine Darstellung, die eine Strömung auf der Seite einer Saugfläche veranschaulicht. Strömungen werden auch in der Nähe von Enden abgelenkt, wo die Vorderkanten 1101 und 1104 der Schaufel 1120 die Oberfläche der Nabenplatte schneiden.
Da die Vorderkanten 1101 und 1104 der Schaufel 1120 in der Nähe einer abdeckungsseitigen Endfläche 1121 in Stromaufwärtsrichtung vorstehen, sind die Konturen 1102 und 1105 gleichen Drucks auf der Oberfläche der Schaufel 1120 so gekrümmt, dass sie zur Stromabwärtsseite vorstehen. Als Ergebnis werden Grenzflächenströme 1103 und 1106, die sich in der Nähe der Oberfläche der Schaufel 1120 bilden, so abgebogen, dass sie von der Oberfläche der Abdeckung 1110 weg führen, wenn sie zur Stromabwärtsseite verlaufen.
11B veranschaulicht die Strömung an der Saugfläche. Unmittelbar nachdem die Strömung mit hoher Geschwindigkeit die Vorderkante 1104 erreicht hat, tritt ein Unterdruck auf, und die Strömung wird zur abdeckungsseitigen Endfläche 1121 gezogen, die ein Eckteil ist. Dann wird die Strömung in eine Richtung umgebogen, in der sie sich vom Eckteil 1112 entfernt, wie dies bei der wirksamen Fläche der Fall ist. Wie oben beschrieben wurde, kann sich eine Grenzflächenströmung kaum an einem Teil in der Nähe der Endfläche 1121 ansammeln. Wenn ein Impeller mit einem Profil mit der Krümmung δM versehen wird, bei dem die Vorderkante zur Stromaufwärtsseite vorsteht und der das Profil der in 8 dargestellten Krümmung δM aufweist, strömt der Grenzflächenstrom in einer der Richtung in 11A und 11B entgegengesetzten Richtung, und die Trennung ist beschleunigt, was den Verlust erhöht.
Da das Konzept des tangentialen Versatzes δY darin besteht, dass es angewandt wird, um Schaufelschnitte in Bezug auf die Umfangsrichtung zu verschieben und dann wieder aufeinander anzuordnen, ändert sich die Oberflächenform der Schaufel beim Übergang von der Vorderkante zur Hinterkante. Wenn andererseits die Krümmung δM auf die Schaufel angewandt wird, wird die Schaufel in analoger Weise umgeformt, so dass sich die Oberflächenform in einem Zwischenteil zwischen der Vorderkante und der Hinterkante kaum ändert und ein verändertes Aussehen in der Nähe der Vorderkante festgestellt wird. Daher ist der tangentiale Versatz δY wichtiger als die Krümmung δM zur Kontrolle von sekundären Strömungen bei einem Zentrifugalimpeller und einem Schraubenradimpeller, und der Versatz und die Krümmung werden in dieser Prioritätsabfolge angewandt. Daher führt die Krümmung δM zu einer sekundären Wirkung, und die Anwendung der Krümmung δM ist hinsichtlich der Verbesserung der Effizienz geeignet, insbesondere an einem vom Entwurf abweichenden Punkt, wo die Strömung in der Nähe einer Vorderkante einer Schaufel wichtig wird. Obgleich ein Strömungsabriss an der Vorderkante an dem vom Entwurf abweichenden Punkt, wo der Anströmwinkel vergrößert ist, auftreten kann, bedeutet dies, dass die Anwendung der Krümmung die Zurückdrängung des Strömungsabrisses erleichtern kann.
In 12 ist dargestellt, wie sich die Kurven des Leistungsvermögens eines Kompressors ändern, wenn der tangentiale Versatz δY und die Krümmung δM auf eine Schaufel eines Impellers angewandt werden, der bei der Erklärung der Ausführungsformen beschrieben wurde. 12 veranschaulicht den adiabatischen Wirkungsgrad eines Kompressors in Abhängigkeit vom Durchsatz. An der waagerechten Achse und der senkrechten Achse sind Werte angegeben, die durch Dimensionslosmachen des adiabatischen Wirkungsgrades und des Durchsatzes erhalten wurden, wobei der Leistungsindex eines als Vergleichsreferenz dienenden linearen Impellers angegeben ist. Kurve 1201 zeigt das Leistungsvermögen eines Impellers mit linearen Elementen nach dem einschlägigen Stand der Technik als Vergleichsreferenz. Kurve 1202 ist eine Kurve des Leistungsvermögens des Impellers nach einer Ausführungsform, die in 9A und 9B dargestellt ist. Es ist festzustellen, dass der adiabatische Wirkungsgrad an einem Auslegungspunkt 1204 durch Anwendung eines geeigneten tangentialen Versatzes δY auf die Schaufel des Impellers verbessert ist.
Bei dem Impeller gemäß der in 9A und 9B dargestellten Ausführungsform ist allerdings die Wirkung der Verbesserung der Effizienz auf einen Bereich von einem kleineren Durchsatzbereich bis zu einem Durchsatzbereich am Auslegungspunkt beschränkt, und der Effekt der Verbesserung des Leistungsvermögens bei dem Impeller ist im Bereich höherer Durchsätze fast nicht festzustellen. Andererseits ist die Wirkungsgradkurve 1203 die Kurve für den in 6A und 6B veranschaulichten Impeller, die erhalten wird, wenn sowohl der tangentiale Versatz δY als auch die Krümmung δM auf die Schaufel des Impellers 600 angewandt wurden. Wie oben beschrieben wurde, kann der Wirkungsgrad über einen weiten Bereich des Durchsatzes durch geeignete Anwendung des tangentialen Versatzes δY und der Krümmung δM auf die Schaufel des Impellers verbessert werden.
Es ist möglich, einen Kompressor zu realisieren, bei dem die sekundäre Strömung verringert und der Stufen-Wirkungsgrad durch Anwendung des tangentialen Versatzes δY und der Krümmung δM auf eine Schaufel eines Impellers mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, wie er oben beschrieben wurde, verbessert ist. Obgleich ein Fall bei der Erläuterung der oben erwähnten Ausführungsformen beschrieben wurde, bei dem der tangentiale Versatz δY und die Krümmung δM auf einen Impeller angewandt wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsformen beschränkt. Dies bedeutet, dass der Kernaspekt der vorliegenden Erfindung darin liegt, dass ein Impeller mit kurvenförmig gekrümmten Elementen, der durch Anordnen von Schaufelschnitten aufeinander erzeugt ist, lediglich die gleiche Form wie ein Impeller einer der oben erwähnten Ausführungsformen besitzen muss und ein Verfahren zum Anordnen der Schaufelschnitte aufeinander nicht notwendigerweise von der Anwendung des tangentialen Versatzes δY und der Krümmung δM abhängig ist, da verschiedene Verfahren wie etwa Verfahren der parallelen Bewegung von Schaufelschnitten in einer Sehnenrichtung der Schaufel, in einer Radiusrichtung und in einer Richtung senkrecht zur Sehnenrichtung der Schaufel angewandt werden können.
Obgleich es am günstigsten ist, die bei den oben erwähnten Ausführungsformen beschriebenen Formeigenschaften für die gesamte Oberfläche einer Schaufel und über ihre Gesamthöhe zu beachten, wird die Wirkung einer Verbesserung der Effizienz auch dann erzielt, wenn lediglich ein lokaler Teil wie etwa ein Teil auf der Seite einer Nabenplatte oder einer Abdeckung Formeigenschaften aufweist, wie sie oben beschrieben wurden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 59-90797 [0004, 0006]
JP 4115180 [0004, 0005, 0006]

Claims

Impeller (600, 900), der aufweist: eine Nabenplatte (609) und eine Vielzahl von Schaufeln (607, 907), die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte (609) in Abständen über den Umfang angeordnet sind, wobei jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln (607, 907) eine Form besitzt, die durch Aufeinanderanordnen einer Vielzahl von Schaufelschnitten (V; 605, 905) in einer auf die Schaufelhöhe jeder Schaufel (607, 907) bezogenen Richtung in einem Referenzimpeller gebildet wird, bei dem sich die Nabenplatte (609) mit den Schaufeln (607, 907) schneidet und der Schaufeln (607, 907) aufweist, die durch lineare Elemente in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung gebildet werden, so dass Schaufeln (607, 907) mit kurvenförmig gekrümmten Elementen (606, 906) erzeugt werden, und, wenn eine Drehbewegung der Schaufelschnitte (V; 605, 905) in der Richtung der Drehung des Impellers als Anwendung eines positiven tangentialen Versatzes (δY) definiert wird, beim Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte (V; 605, 905) in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung der Betrag des auf die Schaufelschnitte (V; 605, 905) anzuwendenden tangentialen Versatzes (δY) beim Übergang von der Endfläche des nabenplattenseitigen Endes und/oder der Endfläche des der Nabenplatte (609) gegenüber liegenden Endes zu einem Zwischenteil der Gesamthöhe der Schaufeln (607, 907) größer wird.
Impeller nach Anspruch 1, bei dem, wenn eine nahezu analoge Verformung und Bewegung der Schaufelschnitte (V; 605, 905) in einer Richtung stromabwärts von der Sehne der Schaufel als Anwendung einer positiven Krümmung definiert wird, beim Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte (V; 605, 905) in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung der Betrag der auf die Schaufelschnitte (V; 605, 905) anzuwendenden Krümmung (δM) beim Übergang von der Endfläche des nabenplattenseitigen Endes und/oder der Endfläche des der Nabenplatte (609) gegenüber liegenden Endes zu einem Zwischenteil der Gesamthöhe der Schaufeln (607, 907) größer wird.
Impeller nach Anspruch 1, bei dem der Betrag des nabenplattenseitig angewandten tangentialen Versatzes (δY) größer ist als der Betrag des abdeckungsseitig angewandten tangentialen Versatzes (δY) und ein Maximalwert der angewandten Beträge auf einer Schaufelhöhe erhalten wird, die näher zur Nabenplattenseite hin liegt als zum mittleren Teil der Gesamthöhe.
Impeller nach Anspruch 2, bei dem der Betrag des nabenplattenseitig angewandten tangentialen Versatzes (δY) größer ist als der Betrag des abdeckungsseitig angewandten tangentialen Versatzes (δY) und ein Maximalwert der angewandten Beträge auf einer Schaufelhöhe erhalten wird, die näher zur Nabenplattenseite hin liegt als zum mittleren Teil der Gesamthöhe.
Impeller (600, 900), der aufweist: eine Nabenplatte (609) und eine Vielzahl von Schaufeln (607, 907), die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte (609) in Abständen über den Umfang angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen einer Saugfläche der Schaufeln (607, 907) und der Oberfläche der Nabenplatte (609) und/oder der Oberfläche der Schaufeln (607, 907) an dem der Nabenplatte (609) gegenüber liegenden Ende stumpf ausgebildet ist.
Impeller nach Anspruch 5, bei dem der Winkel zwischen der Oberfläche der Nabenplatte (609) und/oder der Oberfläche der Schaufeln (607, 907) an dem der Nabenplatte (609) gegenüber liegenden Ende innerhalb einer Meridianebene und einer Kammlinie von Vorderkanten der Schaufeln (607, 907) auf der die Schaufeln (607, 907) aufweisenden Seite spitz ausgebildet ist.
Impeller (600, 900), der aufweist: eine Nabenplatte (609) und eine Vielzahl von Schaufeln (607, 907), die auf einer Seite der Oberfläche der Nabenplatte (609) in Abständen über den Umfang angeordnet sind, wobei jede Schaufel der Vielzahl von Schaufeln (607, 907) eine Form besitzt, die durch Aufeinanderanordnen von Schaufelschnitten (V; 605, 905) in einer auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung gebildet wird, und eine Schaufel mit kurvenförmig gekrümmten Elementen darstellt, die durch Aufeinanderanordnen der Schaufelschnitte (V; 605, 905) in der auf die Schaufelhöhe bezogenen Richtung längs einer Kurve gebildet wird, und die Saugfläche jeder der Schaufeln (607, 907) eine solche Form besitzt, dass sie sich über den gleichen Radius des Impellers erstreckt und in Drehrichtung des Impellers an einer Position am meisten vorsteht, die näher zur Nabenplattenseite hin liegt als zum zentralen Teil der Schaufel (607, 907).
Impeller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Impeller ein Zentrifugalimpeller oder ein Schraubenradimpeller ist.
Strömungsmaschine, die einen oder mehrere Impeller nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.