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Die Erfindung betrifft ein Radialverdichterlaufrad mit einer Radscheibe, einer davon beabstandeten Deckscheibe und dazwischen angeordneten, die Radscheibe und die Deckscheibe verbindenden Schaufeln.
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Derartige Laufräder kommen beispielsweise bei Kompressoren oder Ventilatoren zum Einsatz.
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Die Radscheibe eines derartigen Radialverdichterlaufrads weist Schaufeln auf, die z. B. aus dem Vollen gefräst sind, anschließend wird auf den Schaufeln eine Deckscheibe befestigt, wodurch das Radialverdichterlaufrad gebildet wird.
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Ein herkömmliches Radialverdichterlaufrad ist auf einer angetriebenen Welle angeordnet. Das Radialverdichterlaufrad ist von einem Gehäuse umgeben, durch Rotation des Radialverdichterlaufrads kann ein Gas, das axial in den Zwischenraum zwischen Radscheibe und Deckscheibe einströmt, radial und in Umfangsrichtung beschleunigt und dadurch verdichtet werden. Das strömende Gas gelangt nach dem Passieren des Radialverdichterlaufrads in einen Kanal des Gehäuses.
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Die Strömung im Laufradaustritt eines rotierenden Radialverdichterlaufrads ist durch Interaktion mit der Radseitenraumströmung gekoppelt. Diese Interaktion beeinflusst das Leistungsverhalten, insbesondere die erzielbare Druckerhöhung und den Wirkungsgrad einer Verdichterstufe. Im Bereich der rotierenden Hinterkante einer Laufradschaufel entstehen Druckverluste in der Nachlaufdelle und es kommt zu Verdrängungs- und Einschnürungseffekten in der Laufradaustrittsströmung durch Einströmen von Gas aus dem Radseitenraum in die Laufradströmung. Dadurch wird die Druckerhöhung des Radialverdichterlaufrads in unerwünschter Weise reduziert.
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Diese Interaktionen zwischen der Laufradaustrittsströmung und der Radseitenraumströmung wurden durch aufwendige 3D-Strömungssimulationen aufgezeigt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radialverdichterlaufrad anzugeben, das so ausgebildet ist, dass sich eine gewünschte Druckerhöhung einer Verdichterstufe einstellt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Radialverdichterlaufrad der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schaufeln einen von dem radialen äußeren Ende der Radscheibe und der Deckscheibe nach innen beabstandeten Endabschnitt mit einer reduzierten Dicke bezogen auf einen sich daran anschließenden Abschnitt aufweisen.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Radialverdichterlaufrad, bei dem die Schaufeln sich bis zu dem Außenumfang von Radscheibe und Deckscheibe erstrecken, sind die Schaufeln des erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads „gekürzt“, d. h. verkürzt ausgebildet und sie erstrecken sich radial nicht bis zum äußeren Ende von Radscheibe und Deckscheibe sondern sie weisen einen vom äußeren Ende radial nach innen versetzten bzw. angeordneten Endabschnitt auf. Darüber hinaus weisen die radial äußeren Endabschnitte der Schaufeln auch eine reduzierte Dicke auf, bezogen auf die Dicke des benachbarten Abschnitts der Schaufeln. Die reduzierte Dicke ist dabei vorzugsweise lediglich im Bereich des Endabschnitts der Schaufeln vorgesehen, wohingegen die Schaufeln in dem sich daran anschließenden Abschnitt keine reduzierte Dicke aufweisen. Durch die auf diese Weise angepasste Gestaltung des Laufradaustritts kann die Interaktion von Laufradströmung und Radseitenraumströmung und damit die Druckerhöhung der Verdichterstufe bei einer festgelegten Drehzahl in gewünschter Weise beeinflusst werden. Darüber hinaus verringern sich Mischungsverluste am Laufradaustritt, wodurch der Stufenwirkungsgrad gesteigert wird.
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Die „Kürzung“ der Schaufeln, das heißt deren verringerter Durchmesser kann 1 % bis 15 % betragen, bezogen auf den „ungekürzten“ Durchmesser d der Rad- und/oder Deckscheibe.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Endabschnitte der Schaufeln an der Saugseite jeweils eine abgerundete Kante aufweisen. Es wurde erkannt, dass eine dicke Schaufelhinterkante deutliche Druckverluste verursacht mit entsprechend ausgeprägten Nachlaufdellen in der Laufradabströmung, zudem erfolgt eine Mischung des das Radialverdichterlaufrad durchströmenden Gases mit dem Gas in den Radseitenräumen.
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Vorzugsweise gehen die abgerundete Kante und das Profil der Schaufel an der Saugseite stetig ineinander über. Das bedeutet, dass die abgerundete Kante und das Profil der Schaufel an der Saugseite, d. h. die Saugseitenkontur, stufenlos ineinander übergehen, d. h. die abgerundete Kante und das Profil der Schaufel weisen an dem Berührpunkt dieselbe Tangente auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad wird es bevorzugt, dass die abgerundete Kante einen Radius R aufweist, der zumindest näherungsweise der Gleichung R ≈ –a·d entspricht, wobei d der Durchmesser der Deckscheibe bzw. der Radscheibe- und a ein Faktor zwischen 0,1 und 0,3 ist, der vorzugsweise 0,2 beträgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass näherungsweise ein Drittel der Breite des radialen äußeren Endes der Schaufeln näherungsweise parallel zum Außenumfang der Radscheibe und der Deckscheibe ausgebildet ist und dass sich die abgerundete Kante daran anschließt. Dementsprechend erstreckt sich die abgerundete Kante nicht über die gesamte Breite des radialen äußeren Endes der Schaufeln, sondern lediglich über etwa zwei Drittel der Breite. Das radiale äußere Ende der Schaufeln ist parallel zum Außenumfang der Radscheibe und der Deckscheibe ausgebildet, alternativ kann es auch als Tangente ausgebildet sein.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die Endabschnitte der Schaufeln an der Druckseite jeweils eine abgerundete Kante aufweisen. Analog bzw. umgekehrt zu der abgerundeten Kante an der Saugseite weist somit die Druckseite eine abgerundete Kante auf. Dementsprechend können die aerodynamischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads gezielt durch Modifikation des Profils an der Saugseite und/oder der Druckseite beeinflusst werden. Üblicherweise ist entweder die Saugseite oder die Druckseite abgerundet, da beide Effekte einander entgegenwirken.
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Auch bei der Druckseite wird es bevorzugt, dass die abgerundete Kante und das Profil der Schaufel stetig ineinander übergehen, d. h. im Berührpunkt sind die Tangenten identisch.
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Bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad kann die abgerundete Kante einen Radius R aufweisen, der zumindest näherungsweise der Gleichung R ≈ b·d entspricht, wobei d der Durchmesser der Deckscheibe bzw. der Radscheibe und b ein Faktor zwischen 0,1 und 0,3 ist, der vorzugsweise 0,2 beträgt.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads sieht vor, dass näherungsweise ein Drittel der Breite des radialen äußeren Endes der Schaufeln näherungsweise parallel zum Außenumfang der Radscheibe und der Deckscheibe ausgebildet ist und dass sich die abgerundete Kante daran anschließt.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Radialverdichter, der ein Radialverdichterlaufrad der beschriebenen Art aufweist, das in einem Gehäuse aufgenommen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 eine geschnittene Ansicht eines Details eines erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads;
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2 einen Schnitt durch die in 1 gezeigte Schaufel entlang der Linie II-II;
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3 eine ähnliche geschnittene Darstellung wie in 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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4 ein Detail von 3 im Bereich des Endabschnitts der Schaufel;
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5 eine ähnliche geschnittene Darstellung einer Schaufel wie in 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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6 ein Detail der in 5 gezeigten Schaufel im Bereich des Endabschnitts der Schaufel.
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Die geschnittene Ansicht von 1 zeigt einen Teil eines Radialverdichterlaufrads 1, das eine Radscheibe 2 umfasst, die auf einer Welle (nicht gezeigt) befestigt ist. Daneben umfasst das Radialverdichterlaufrad 1 eine von der Radscheibe 2 beabstandete Deckscheibe 3. In dem Freiraum zwischen Radscheibe 2 und Deckscheibe 3 sind in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Schaufeln 4 angeordnet. Das Radialverdichterlaufrad 1 ist außenseitig von einem Gehäuse 5 umgeben, das in 1 lediglich teilweise gezeigt ist. Wenn das auf einer Welle befestigte Radialverdichterlaufrad 1 in Rotation versetzt wird, kann ein Gas, das axial in der durch einen Pfeil 6 angegebenen Richtung einströmt, radial und in Umfangsrichtung beschleunigt und dadurch verdichtet werden. Das Gas passiert das Radialverdichterlaufrad 1 und strömt in einen in dem Gehäuse 5 ausgebildeten Strömungskanal 7.
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2 ist eine geschnittene Ansicht des Radialverdichterlaufrads 1 von 1 entlang der Linie II-II. In 2 ist dabei lediglich der Schnitt durch die Schaufel 4 sowie ein Teil der Radscheibe 2 gezeigt, die einstückig mit der Schaufel 4 ausgebildet ist. Die Schaufel 4 weist ein aerodynamisches Profil auf und umfasst eine Saugseite 8 und eine Druckseite 9. Die Schaufel 4 weist eine näherungsweise gleichbleibende Dicke über ihre Länge auf.
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In 2 erkennt man, dass die Schaufel 4 einen Endabschnitt 10 aufweist, der von dem radialen äußeren Ende 11 der Radscheibe 2 sowie der dazu näherungsweise parallel angeordneten Deckscheibe 3 nach innen beabstandet ist. Dementsprechend ist die Schaufel 4 im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaufel an ihrem in Radialrichtung äußeren Ende gekürzt. Das gekürzte Schaufelende, das z. B. durch eine spanende Bearbeitung, insbesondere durch Ausdrehen, hergestellt werden kann, bewirkt eine Reduktion der Druckerhöhung des Radialverdichterlaufrads 1. Somit kann ein Radialverdichterlaufrad, beispielsweise nach der Durchführung eines Prüfstandtests, durch Ausdrehen so modifiziert werden, dass es eine vorgegebene Druckerhöhung erreicht. Im Rahmen der Herstellung eines neuen Radialverdichterlaufrads kann der Endabschnitt der Schaufel selbstverständlich auch direkt wie in 2 gezeigt ausgebildet werden, d. h. mit einem vom äußeren Ende der Radscheibe beabstandeten Endabschnitt. Andererseits kann ein bereits vorhandenes Radialverdichterlaufrad in der beschriebenen Weise mechanisch spanend durch Ausdrehen bearbeitet werden, um die Schaufeln im Laufradaustrittsbereich zu kürzen.
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Die 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radialverdichterlaufrads, wobei lediglich – ähnlich wie in 2 – ein Schnitt durch eine Schaufel und in 4 ein Detail der Ansicht von 3 gezeigt ist.
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Die in 3 gezeigte Schaufel 12 entspricht grundsätzlich der in 2 gezeigten Schaufel 4. Insbesondere weist die Schaufel 12 einen Endabschnitt 13 auf, der von dem radialen äußeren Ende der Radscheibe 2 nach innen beabstandet ist. Wie am besten in der vergrößerten Ansicht von 4 erkennbar ist, weist der Endabschnitt 13 der Schaufel 12 an der Saugseite 8 eine abgerundete Kante 14 auf. Die abgerundete Kante 14 und das Profil der Schaufel 12 an der Saugseite 8 gehen stetig ineinander über, an dieser Stelle ist die Tangentenbedingung erfüllt, d. h. die Kante 14 und die Kante des Profils der Schaufel 12 besitzen im Berührpunkt dieselbe Tangente.
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Die abgerundete Kante 14 ist ein Kreissegment mit einem Radius R, der näherungsweise dem 0,2-fachen des Durchmessers d der Radscheibe 2 entspricht.
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In 4 erkennt man, dass näherungsweise ein Drittel der (nicht abgerundeten) Breite des radialen äußeren Endabschnitts 13 der Schaufel 12 näherungsweise parallel zum Außenumfang der Radscheibe 2 ausgebildet ist und dass sich die abgerundete Kante 14 daran anschließt. Die Außenkante des Endabschnitts 13 und die abgerundete Kante 14 schließen einen Winkel ein, der etwas größer als 90° ist.
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Der die abgerundete Kante 14 aufweisende Endabschnitt 13 kann entweder direkt bei der Herstellung der Schaufel 12 bzw. der integral mit den Schaufeln ausgebildeten Radscheibe 12 ausgebildet werden, alternativ kann der Endabschnitt 13 auch nachträglich durch Überdrehen einer herkömmlichen Schaufel hergestellt werden. Die Herstellung der abgerundeten Kante 14 kann somit als „Aufrunden“ angesehen werden, d. h. die an dieser Stelle herkömmlicherweise vorhandene Kante wird mit einem Radius versehen.
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Die 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Radialverdichterlaufrads im Bereich einer Schaufel, wobei 5 eine ähnliche Darstellung wie die 2 und 3 zeigt und 6 ein vergrößertes Detail der in 5 gezeigten Schaufel darstellt.
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Die in den 5 und 6 gezeigte Schaufel 15 weist in Übereinstimmung mit dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Endabschnitt 16 auf, der von dem radialen äußeren Ende 11 der Radscheibe 2 beabstandet ist. Der Endabschnitt 16 der „verkürzten“ Schaufel 15 weist an der Druckseite 9 eine abgerundete Kante 17 auf. Wie am besten in 6 zu sehen ist, gehen die abgerundete Kante 17 und die Außenkontur der Schaufel 15 an der Druckseite 9 stetig ineinander über. An dem Berührpunkt ist die Tangentenbedingung erfüllt.
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In 6 ist ferner gezeigt, dass die abgerundete Kante 17 als Kreissegment ausgebildet ist, dessen Radius etwa dem 0,2-fachen des Durchmessers d der Radscheibe 2 entspricht. Bei anderen Ausführungen kann ein anderer Radius vorgesehen sein, dieser kann beispielsweise zwischen 0,15 d und 0,25 d betragen.
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Etwa ein Drittel der Breite des radialen Endabschnitts 16 der Schaufel 15 ist parallel zum Außenumfang der Radscheibe 2 ausgebildet, daran schließt sich die abgerundete Kante 17 an, die sich somit näherungsweise über zwei Drittel der (gedachten) Breite erstreckt.
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Ein herkömmliches Radialverdichterlaufrad kann durch Ausdrehen des radialen Endabschnitts der Schaufeln und durch Abrunden auf der Druckseite so spanend bearbeitet werden, dass sich das in den 5 und 6 gezeigte Radialverdichterlaufrad ergibt. Andererseits kann die in den 5 und 6 gezeigte Form der Schaufel 15 bei der Herstellung eines neuen Radialverdichterlaufrads direkt durch Fräsen oder ein anderes Fertigungsverfahren gebildet werden.
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Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten unterschiedlichen Methoden der Beeinflussung der Strömungsverhältnisse bewirken, dass Druckverluste verringert werden und dass eine unerwünschte Vermischung von Fluid im Bereich der Radseitenräume mit Fluid im Bereich des Laufradaustritts verringert oder vermieden wird. Auf diese Weise steigt der Wirkungsgrad der Laufradstufe. Die in den verschiedenen beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigten Maßnahmen können auch miteinander kombiniert werden. Um ein Radialverdichterlaufrad mit definierten Eigenschaften zu erhalten, können die vorgenommenen Modifikationen im Bereich der Endabschnitte der Schaufeln auch modifiziert werden. Beispielsweise kann eine abgerundete Kante sowohl auf der Saugseite als auch auf der Druckseite vorgesehen sein. Daneben kann auch die verbleibende Länge der Schaufeln in Radialrichtung bzw. der Abstand von der Außenkante der Radscheibe angepasst werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel 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.
