DE102016201256A1

DE102016201256A1 - Turbomachine with bladed diffuser

Info

Publication number: DE102016201256A1
Application number: DE102016201256.8A
Authority: DE
Inventors: Nico Petry
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-08-03
Also published as: WO2017129342A1; EP3408503A1; EP3408503B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (2) mit einem Laufrad (4), welches um eine Drehachse (6) rotierbar gelagert ist, und einem Diffusor (24), der eine Mehrzahl von Diffusorschaufeln (28) aufweist. Damit die Strömungsmaschine (2) kostengünstig betrieben werden kann, wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Diffusorschaufeln (28) in einem ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet ist und mindestens eine andere der Diffusorschaufeln (28) in einem zweiten Abstand (34) zur Drehachse (6) angeordnet ist.The invention relates to a turbomachine (2) having an impeller (4) which is rotatably mounted about a rotation axis (6), and a diffuser (24) having a plurality of diffuser vanes (28). In order that the turbomachine (2) can be operated cost-effectively, it is proposed that at least one of the diffuser blades (28) is arranged at a first distance (32) from the axis of rotation (6) and at least one other diffuser blade (28) at a second distance (28). 34) is arranged to the rotation axis (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Laufrad, welches um eine Drehachse rotierbar gelagert ist, und einem Diffusor, der eine Mehrzahl von Diffusorschaufeln aufweist. The invention relates to a turbomachine with an impeller, which is rotatably mounted about a rotation axis, and a diffuser having a plurality of diffuser vanes.

Strömungsmaschinen, die einen Diffusor aufweisen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein Diffusor ist ein Bauteil, welches eine Fluidströmung verlangsamt und dabei einen Fluiddruck erhöht. Bei einer Strömungsmaschine wandelt ein Diffusor somit kinetische Energie eines die Strömungsmaschine durchströmenden Fluids in potenzielle Energie in Form von Druck um. Turbomachines having a diffuser are well known in the art. A diffuser is a component that slows fluid flow while increasing fluid pressure. In a turbomachine, a diffuser thus converts kinetic energy of a fluid flowing through the turbomachine into potential energy in the form of pressure.

Grundsätzlich wird zwischen beschaufelten Diffusoren, also Diffusoren mit Diffusorschaufeln, und unbeschaufelten Diffusoren, also Diffusoren ohne solche Schaufeln, unterschieden. In principle, a distinction is made between bladed diffusers, ie diffusers with diffuser blades, and uncoated diffusers, ie diffusers without such blades.

Durch den Einsatz eines beschaufelten Diffusors lässt sich bei einer Strömungsmaschine üblicherweise ein höherer Wirkungsgrad erreichen als mit einem unbeschaufelten Diffusor. Ferner können mithilfe eines beschaufelten Diffusors Strömungsinstabilitäten vermieden oder zumindest reduziert werden, insbesondere im Falle eines Teillastbetriebs der Strömungsmaschine. By using a bladed diffuser, a higher efficiency can usually be achieved with a turbomachine than with a bladed diffuser. Furthermore, with the aid of a bladed diffuser, flow instabilities can be avoided or at least reduced, in particular in the case of a partial load operation of the turbomachine.

Allerdings können Strömungsmaschinen, die einen beschaufelten Diffusor aufweisen, anfälliger für Laufradbeschädigungen sein als Strömungsmaschinen, die einen unbeschaufelten Diffusor aufweisen. Daher kann es erforderlich sein, bei einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor ihr Laufrad häufiger auf Beschädigungen hin zu überprüfen und/oder das Laufrad häufiger auszutauschen. Folglich können beim Betreiben einer Strömungsmaschine, welche einen beschaufelten Diffusor aufweist, hohe Kosten entstehen. However, turbomachinery having a bladed diffuser may be more susceptible to impeller damage than turbomachines having an un-bladed diffuser. Therefore, it may be necessary in a turbomachine with a bladed diffuser to inspect its impeller more frequently for damage and / or replace the impeller more frequently. Consequently, running a turbomachine having a bladed diffuser can result in high costs.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine bereitzustellen, die kostengünstig betrieben werden kann. An object of the invention is to provide a turbomachine that can be operated inexpensively.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, bei der erfindungsgemäß mindestens eine der Diffusorschaufeln in einem ersten Abstand zur Drehachse angeordnet ist und mindestens eine andere der Diffusorschaufeln in einem zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet ist. This object is achieved by a turbomachine of the type mentioned, in which according to the invention at least one of the diffuser blades is arranged at a first distance to the axis of rotation and at least one other of the diffuser blades is arranged at a second distance from the axis of rotation.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Advantageous developments of the turbomachine according to the invention are each the subject of dependent claims and the following description.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die höhere Anfälligkeit für Laufradbeschädigungen bei einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor auf eine Interaktion zwischen dem Laufrad und dem Diffusor bzw. auf eine Rückwirkung der Diffusorschaufeln auf das Laufrad zurückgeführt werden kann. The invention is based on the consideration that the higher susceptibility to impeller damage in a turbomachine with a bladed diffuser can be attributed to an interaction between the impeller and the diffuser or to a reaction of the diffuser blades on the impeller.

Beim Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor können die Diffusorschaufeln Druckschwankungen in der fluidgefüllten Umgebung des Laufrads hervorrufen, welche das Laufrad zu Schwingungen anregen können. Es kann insbesondere zu einer drehzahlharmonischen Anregung des Laufrads durch die Diffusorschaufeln kommen, bei welcher das Laufrad mit einer Anregungsfrequenz angeregt wird, die dem Produkt aus der Drehzahl des Laufrads und der Anzahl der Diffusorschaufeln bzw. einem ganzzahligen Vielfachen dieses Produkts entspricht. When operating a turbomachine with a bladed diffuser, the diffuser vanes can cause pressure fluctuations in the fluid-filled environment of the impeller, which can cause the impeller to vibrate. In particular, it may come to a speed harmonious excitation of the impeller through the diffuser blades, in which the impeller is excited at an excitation frequency corresponding to the product of the speed of the impeller and the number of diffuser blades or an integer multiple of this product.

Die Anregungsfrequenz (bzw. eine dieser Anregungsfrequenzen) kann insbesondere in der Größenordnung einer Eigenfrequenz des Laufrads liegen. Eine Übereinstimmung der Anregungsfrequenz (bzw. einer der Anregungsfrequenzen) mit einer Eigenfrequenz des Laufrads kann zu einer Resonanz führen, insbesondere falls eine Schwingungsform einer solchen diffusorbedingten Anregung mit einer Eigenform des Laufrads übereinstimmt. Im Resonanzfall können hohe Schwingungsamplituden des Laufrads auftreten, die unter Umständen zu einem Ermüdungsbruch des Laufrads führen. The excitation frequency (or one of these excitation frequencies) can be in particular of the order of magnitude of a natural frequency of the impeller. A match of the excitation frequency (or one of the excitation frequencies) with a natural frequency of the impeller can lead to a resonance, in particular if a vibration form of such a diffuser-related excitation coincides with an eigen-shape of the impeller. In case of resonance, high vibration amplitudes of the impeller may occur, which may lead to a fatigue failure of the impeller under certain circumstances.

Die Anregungsintensität kann unter anderem von der Drehzahl des Laufrads, einer Fluiddichte und/oder einem Fluiddruck am Eintritt der Strömungsmaschine abhängig sein. Insbesondere bei einem Hochdruckverdichter kann eine solche diffusorbedingte Anregung des Laufrads kritisch werden. The excitation intensity may depend, inter alia, on the rotational speed of the impeller, a fluid density and / or a fluid pressure at the inlet of the turbomachine. In particular, in a high-pressure compressor, such a diffuser-induced excitation of the impeller can be critical.

Weiter beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass dadurch, dass mindestens zwei der Diffusorschaufeln in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordnet sind (d.h. unterschiedliche Abstände zur Drehachse aufweisen), eine weniger regelmäßige Interaktion zwischen den Diffusorschaufeln und dem Laufrad erreicht werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine Reduzierung der diffusorbedingten Anregung des Laufrads. Dadurch, dass mindestens zwei der Diffusorschaufeln in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordnet sind, kann insbesondere eine Amplitude der Anregung verringert werden und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Überstimmung einer Anregungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz des Laufrads verringert werden. Further, the invention is based on the recognition that by having at least two of the diffuser vanes at different distances from the axis of rotation (i.e., different distances from the axis of rotation), less regular interaction between the diffuser vanes and the impeller can be achieved. This in turn allows a reduction of the diffuser-induced excitation of the impeller. The fact that at least two of the diffuser blades are arranged at different distances to the axis of rotation, in particular an amplitude of the excitation can be reduced and / or the probability of a match of an excitation frequency with a natural frequency of the impeller can be reduced.

Somit kann durch besagte Anordnung der Diffusorschaufeln bei der Strömungsmaschine eine verringerte Anfälligkeit für eine Laufradbeschädigung erreicht werden. Dies wiederum ermöglicht, dass das Laufrad seltener auf Beschädigungen hin überprüft und/oder das Laufrad seltener ausgetauscht werden muss. Folglich kann die Strömungsmaschine kostengünstig betrieben werden. Thus, by said arrangement of the diffuser vanes in the turbomachine, a reduced susceptibility to impeller damage be achieved. This in turn makes it possible that the impeller checked less frequently for damage and / or the impeller needs to be replaced less frequently. Consequently, the turbomachine can be operated inexpensively.

Darüber hinaus kann die Strömungsmaschine durch ihren verbesserten Wirkungsgrad (gegenüber einer Strömungsmaschine mit einem unbeschaufelten Diffusor) energieeffizient betrieben werden, was zusätzlich zu einer Verringerung der Betriebskosten beitragen kann. In addition, the turbomachine can be operated in an energy-efficient manner due to its improved efficiency (in comparison to a turbomachine with an unscrewed diffuser), which can additionally contribute to a reduction of the operating costs.

Anders ausgedrückt, die Erfindung ermöglicht es, das Anregungspotential für Laufradschwingungen zu reduzieren und dabei vorteilhafterweise einen hohen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine zu erhalten. In other words, the invention makes it possible to reduce the excitation potential for impeller vibrations and thereby advantageously to obtain a high efficiency of the turbomachine.

Als Abstand einer Diffusorschaufel zur Drehachse kann die Entfernung ihrer Eintrittskante zu der Drehachse aufgefasst werden. Unter der Eintrittskante wiederum kann diejenige Kante der jeweiligen Diffusorschaufel verstanden werden, welche einen Fliudeinlass der Anordnung der Diffusorschaufeln (Diffusorschaufelanordnung) begrenzt. Zweckmäßigerweise ist die Eintrittskante diejenige Kante der jeweiligen Diffusorschaufel, die dem Laufrad am nächsten ist. As the distance of a diffuser blade to the axis of rotation, the distance of its leading edge to the axis of rotation can be considered. In turn, the edge of the inlet edge can be understood as that edge of the respective diffuser blade which delimits a liquid inlet of the arrangement of the diffuser blades (diffuser blade arrangement). Conveniently, the leading edge is that edge of the respective diffuser blade which is closest to the impeller.

Die Drehachse kann eine geometrische (gedachte) Achse sein. Zweckmäßigerweise fällt die Drehachse mit der Längsrichtung einer Welle zusammen, mit welcher das Laufrad verbunden ist. The axis of rotation can be a geometric (imaginary) axis. Conveniently, the axis of rotation coincides with the longitudinal direction of a shaft with which the impeller is connected.

Vorzugsweise sind die Diffusorschaufeln kranzförmig angeordnet. Anders ausgedrückt, die Diffusorschaufeln können derart angeordnet sein, dass sie einen Kranz ausbilden. Preferably, the diffuser vanes are arranged in a ring shape. In other words, the diffuser vanes may be arranged to form a collar.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Diffusor stromabwärts des Laufrads angeordnet ist. Das heißt, im Betrieb der Strömungsmaschine strömt ein Volumenelement eines die Strömungsmaschine durchströmenden Fluids zweckmäßigerweise erst durch das Laufrad und danach durch Diffusor. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor um einen Umfang des Laufrads herum angeordnet ist. Furthermore, it is expedient if the diffuser is arranged downstream of the impeller. That is, during operation of the turbomachine, a volume element of a fluid flowing through the turbomachine expediently flows first through the impeller and then through the diffuser. Further, it is advantageous if the diffuser is arranged around a circumference of the impeller.

Der Diffusor kann unter anderem durch nicht rotierende ringförmige Wände gebildet sein, welche sich vorzugsweise radial an einen Austritt des Laufrads anschließen. Zweckmäßigerweise ist der Diffusor durch einen Spalt vom Laufrad beabstandet. The diffuser can be formed inter alia by non-rotating annular walls, which preferably connect radially to an outlet of the impeller. Conveniently, the diffuser is spaced by a gap from the impeller.

Des Weiteren können die Diffusorschaufeln beliebig geformt sein. So können die Diffusorschaufeln beispielsweise eben oder gekrümmt sein. Ferner können die Diffusorschaufeln profiliert sein. Das heißt, die Diffusorschaufeln können ein vorgegebenes Profil aufweisen. Weiterhin sind die Diffusorschaufeln optionalerweise hinsichtlich ihrer Ausrichtung verstellbar. Furthermore, the diffuser blades can be arbitrarily shaped. For example, the diffuser vanes may be flat or curved. Furthermore, the diffuser vanes can be profiled. That is, the diffuser vanes may have a predetermined profile. Furthermore, the diffuser vanes are optionally adjustable in orientation.

In bevorzugter Weise ist das Laufrad ein radiales Laufrad. Das Laufrad kann also dazu eingerichtet sein, das Fluid in der Strömungsmaschine radial, insbesondere radial nach außen, zu führen. Zu diesem Zweck ist das Laufrad vorteilhafterweise mit radialen Laufradschaufeln ausgestattet. Preferably, the impeller is a radial impeller. The impeller can thus be configured to guide the fluid in the turbomachine radially, in particular radially outwards. For this purpose, the impeller is advantageously equipped with radial impeller blades.

Weiter ist es bevorzugt, wenn der Diffusor ein Radialdiffusor ist. Das heißt, der Diffusor kann dazu eingerichtet sein, das Fluid in der Strömungsmaschine radial, insbesondere radial nach außen, zu führen. Further, it is preferable if the diffuser is a radial diffuser. That is, the diffuser may be configured to guide the fluid in the turbomachine radially, in particular radially outward.

Die Strömungsmaschine kann unter anderem eine halbaxiale Strömungsmaschine sein. In bevorzugter Weise ist die Strömungsmaschine eine radiale Strömungsmaschine. The turbomachine can be, inter alia, a semi-axial turbomachine. The turbomachine is preferably a radial turbomachine.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strömungsmaschine ein Radialverdichter ist. It is particularly preferred if the turbomachine is a radial compressor.

Richtungsbezeichnungen, wie z.B. „radial“, „axial“ und/oder „halbaxial“, können gemäß dem üblichen Verständnis bezüglich der zuvor erwähnten Drehachse verstanden werden. Directional designations, such as "Radial", "axial" and / or "semi-axial" may be understood in accordance with the usual understanding of the aforementioned axis of rotation.

Vorteilhafterweise ist von zwei benachbarten Diffusorschaufeln des Diffusors eine Diffusorschaufel im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet, während die andere Diffusorschaufel im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet ist. Anders ausgedrückt, bei zwei benachbarten Diffusorschaufeln des Diffusors können unterschiedliche Abstände zur Drehachse vorgesehen sein. Advantageously, of two adjacent diffuser vanes of the diffuser, a diffuser blade is arranged at the first distance to the axis of rotation, while the other diffuser blade is arranged at the second distance to the axis of rotation. In other words, with two adjacent diffuser vanes of the diffuser, different distances to the axis of rotation may be provided.

Eine vorgegebene Anzahl der Diffusorschaufeln kann im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist die gleiche Anzahl der Diffusorschaufeln im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet. A predetermined number of the diffuser vanes may be arranged at the first distance to the axis of rotation. Conveniently, the same number of diffuser blades is arranged at the second distance to the axis of rotation.

Ferner ist es bevorzugt, wenn der Diffusor eine gerade Anzahl von Diffusorschaufeln aufweist. Furthermore, it is preferable if the diffuser has an even number of diffuser blades.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind 50% der Diffusorschaufeln im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die anderen 50% der Diffusorschaufeln im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet sind. According to an advantageous embodiment of the invention, 50% of the diffuser blades are arranged at the first distance to the axis of rotation. Further, it is advantageous if the other 50% of the diffuser blades are arranged at the second distance to the axis of rotation.

Es können also beispielseiwese n Diffusorschaufeln in erstem Abstand zur Drehachse und n Diffusorschaufeln in zweitem Abstand zur Drehachse angeordnet sein, wobei n zweckmäßigerweise eine natürliche Zahl ist und 2·n die Anzahl der Diffusorschaufeln ist. Thus, for example, the diffuser vanes may be arranged at a first distance from the rotation axis and n diffuser vanes at a second distance from the rotation axis, where n is expediently a natural number and 2 * n is the number of diffuser vanes.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Diffusorschaufeln hinsichtlich ihres Abstands zur Drehachse alternierend angeordnet. Bei einer solchen alternierenden Anordnung ist eine der Diffusorschaufeln zweckmäßigerweise im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet. Die auf diese Diffusorschaufel in Umfangsrichtung der Diffusorschaufel-Anordnung folgende Diffusorschaufel ist zweckmäßigerweise im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet. Die auf letztgenannte Diffusorschaufel in Umfangsrichtung der Diffusorschaufel-Anordnung folgende Diffusorschaufel wiederum ist zweckmäßigerweise im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet und so weiter. Anders ausgedrückt, die Diffusorschaufeln sind in Umfangsrichtung vorzugsweise wechselweise im ersten bzw. zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet. In an advantageous embodiment of the invention, the diffuser blades are arranged alternately with respect to their distance from the axis of rotation. In such an alternating arrangement, one of the diffuser vanes is expediently arranged at the first distance from the axis of rotation. The diffuser blade following this diffuser blade in the circumferential direction of the diffuser blade arrangement is expediently arranged at the second distance from the axis of rotation. The diffuser blade following the latter diffuser blade in the circumferential direction of the diffuser blade arrangement, in turn, is expediently arranged at the first distance from the axis of rotation and so on. In other words, the diffuser vanes are preferably arranged alternately in the circumferential direction at first and second distances from the axis of rotation.

Mittels einer solchen alternierenden Anordnung der Diffusorschaufeln kann z.B. erreicht werden, dass die Rückwirkung der Diffusorschaufeln auf das Laufrad symmetrisch, insbesondere axialsymmetrisch bezüglich der Drehachse, ist. Dies wiederum ermöglicht, dass auf das Laufrad in radialer Richtung wirkende Kräfte, die durch besagte Rückwirkung bedingt sind, sich gegenseitig aufheben. By means of such an alternate arrangement of the diffuser vanes, e.g. be achieved that the reaction of the diffuser blades on the impeller is symmetrical, in particular axially symmetrical with respect to the axis of rotation. This in turn allows forces acting on the impeller in the radial direction, which are due to said reaction, to cancel each other out.

Zweckmäßigerweise ist der zweite Abstand größer als der erste Abstand. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der zweite Abstand mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, größer ist als der erste Abstand. Der prozentuale Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand kann unter anderem in Abhängigkeit von der Anzahl der Diffusorschaufeln, der Anzahl der Laufradschaufeln und/oder einer Nenndrehzahl des Laufrads gewählt sein. Conveniently, the second distance is greater than the first distance. Furthermore, it is expedient if the second distance is at least 5%, in particular at least 10%, greater than the first distance. The percentage difference between the first and second distances may be selected depending on, among other things, the number of diffuser vanes, the number of impeller vanes, and / or a nominal impeller speed.

Vorzugsweise entspricht der erste Abstand mindestens dem 0,525-fachen eines Austrittsdurchmessers des Laufrads. Dadurch kann erreicht werden, dass besagte Rückwirkung der Diffusorschaufeln auf das Laufrad gering gehalten wird. Ein kleinerer Betrag des ersten Abstands könnte zu einer ungewollt starken Rückwirkung der Diffusorschaufeln auf das Laufrad führen. Als Austrittsdurchmessers des Laufrads kann ein Durchmesser des Laufrads an dessen Austritt aufgefasst werden. Preferably, the first distance corresponds to at least 0.525 times an exit diameter of the impeller. It can thereby be achieved that said reaction of the diffuser blades is kept low on the impeller. A smaller amount of the first distance could lead to an unintentionally strong reaction of the diffuser blades on the impeller. As exit diameter of the impeller, a diameter of the impeller can be understood at its outlet.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der zweite Abstand höchstens dem 0,65-fachen des Austrittsdurchmessers des Laufrads entspricht. Auf diese Weise kann einer Wirkungsgradverschlechterung des Diffusors – bedingt durch einen großen Betrag des zweiten Abstands – vermieden oder zumindest reduziert werden. Moreover, it is preferable that the second distance is at most 0.65 times the exit diameter of the impeller. In this way, an efficiency deterioration of the diffuser - caused by a large amount of the second distance - avoided or at least reduced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Diffusorschaufeln eine Schaufelüberdeckung (englisch: blade solidity) von höchstens 1, insbesondere von höchstens 0,7, auf. Ein solcher Diffusor wird auch als „Low Solidity Diffuser“ bezeichnet. Als Schaufelüberdeckung kann das Verhältnis der Profilsehnenlänge der jeweiligen Diffusorschaufel zur Umfangsteilung (englisch: circumferential pitch) der Diffusorschaufelanordnung aufgefasst werden. Mit einem solchen Diffusor lässt sich ein guter Wirkungsgrad der Strömungsmaschine auch dann erreichen, wenn die Strömungsmaschine nicht in ihrem Auslegungspunkt betrieben wird. In a further advantageous embodiment of the invention, the diffuser blades have a blade overlap (English: blade solidity) of at most 1, in particular of at most 0.7. Such a diffuser is also referred to as a "low solidity diffuser". As the blade cover, the ratio of the chord length of the respective diffuser blade to the circumferential pitch of the diffuser vane arrangement can be understood. With such a diffuser, a good efficiency of the turbomachine can be achieved even if the turbomachine is not operated at its design point.

Es kann vorgesehen sein, dass diejenigen Diffusorschaufeln, die im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet sind, eine andere räumliche Ausrichtung und/oder eine andere Form aufweisen als diejenigen Diffusorschaufeln, die im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet sind. It can be provided that those diffuser blades, which are arranged at the first distance from the axis of rotation, have a different spatial orientation and / or a different shape than those diffuser blades which are arranged at the second distance from the axis of rotation.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Diffusorschaufeln in mindestens drei unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordnet sind. In addition, it can be provided that the diffuser blades are arranged in at least three different distances from the axis of rotation.

Des Weiteren kann die Strömungsmaschine eine mehrstufige Strömungsmaschine sein. Das heißt, die Strömungsmaschine kann mehrere hintereinander angeordnete Laufräder aufweisen, welche insbesondere an einer gemeinsamen Welle angeordnet sein können. Ferner kann die Strömungsmaschine für jedes der Laufräder einen eigenen Diffusor aufweisen. Weiterhin kann jeder der Diffusoren wie zuvor beschrieben ausgestaltet sein. Furthermore, the turbomachine can be a multi-stage turbomachine. That is, the flow machine may have a plurality of successively arranged wheels, which may be arranged in particular on a common shaft. Furthermore, the turbomachine for each of the wheels may have its own diffuser. Furthermore, each of the diffusers may be configured as described above.

Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine kombinierbar. Ferner sind Verfahrensmerkmale, gegenständlich formuliert, auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit zu sehen. 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, these features may conveniently be considered individually and combined into meaningful further combinations. In particular, these features can be combined individually and in any suitable combination with the turbomachine according to the invention. Furthermore, process features, objectively formulated, can also be seen as a property of the corresponding device unit.

Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein. Although some terms are used in the specification or claims in the singular or in conjunction with a number word, the scope of the invention for these terms should not be limited to the singular or the respective number word.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Das Ausführungsbeispiel dient der Erläuterung der Erfindung und beschränkt die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale des Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden. The above-described characteristics, features, and advantages of the invention, as well as the manner in which they are obtained, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiment of the invention, which proceeds in conjunction with the drawings. The embodiment serves to explain the invention and does not limit the invention to the combinations of features specified therein, not even with respect to functional features. In addition, suitable features of the embodiment may also be considered explicitly isolated and combined with any of the claims.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Weiteren näher erläutert wird. In the drawings, an embodiment of the invention is shown, which will be explained in more detail below.

Es zeigen: Show it:

1 eine Schnittdarstellung eines Radialverdichters, welcher einen Diffusor mit mehreren Diffusorschaufeln aufweist; 1 a sectional view of a centrifugal compressor having a diffuser with a plurality of diffuser blades;

2 die Anordnung der Diffusorschaufeln des Radialverdichters aus 1 in einer Frontalansicht. 2 the arrangement of the diffuser blades of the centrifugal compressor 1 in a frontal view.

1 zeigt eine radiale Strömungsmaschine 2 in einer (vereinfachten) Schnittdarstellung. Bei der dargestellten Strömungsmaschine 2 handelt es sich um einen Radialverdichter. 1 shows a radial flow machine 2 in a (simplified) sectional view. In the illustrated turbomachine 2 it is a radial compressor.

Die Strömungsmaschine 2 umfasst unter anderem ein radiales Laufrad 4, welches um eine Drehachse 6 rotierbar gelagert ist. Das Laufrad 4 weist einen axialen Laufradeinlass 8 sowie einen radialen Laufradauslass 10 auf. The turbomachine 2 includes, among other things, a radial impeller 4 which is about a rotation axis 6 rotatably mounted. The impeller 4 has an axial impeller inlet 8th and a radial impeller outlet 10 on.

Darüber hinaus umfasst das Laufrad 4 eine Nabe 12 sowie radial von der Nabe 12 abstehende Laufradschaufeln 14. Zwischen den Laufradschaufeln 14 sind Strömungskanäle ausgebildet, welche von einem Fluid durchströmbar sind. Des Weiteren ist die Nabe 12 mit einer figürlich nicht dargestellten Welle der Strömungsmaschine 2 verbunden. In addition, the impeller includes 4 a hub 12 as well as radially from the hub 12 protruding impeller blades 14 , Between the impeller blades 14 flow channels are formed, which are traversed by a fluid. Furthermore, the hub 12 with a figuratively not shown shaft of the turbomachine 2 connected.

Außerdem weist das Laufrad 4 eine Radscheibe 16 auf, die einteilig mit der Nabe 12 ausgebildet ist und die Laufradschaufeln 14 miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 4 ein sogenanntes offenes Laufrad, also ein Laufrad ohne Deckscheibe. In einer alternativen (figürlich nicht dargestellten) Ausführungsform könnte das Laufrad 4 ein sogenanntes geschlossenes Laufrad sein, also ein Laufrad mit einer Deckscheibe. In addition, the impeller points 4 a wheel disc 16 on, the one-piece with the hub 12 is formed and the impeller blades 14 connects with each other. In the present embodiment, the impeller 4 a so-called open impeller, so an impeller without shroud. In an alternative (figuratively not shown) embodiment, the impeller 4 a so-called closed impeller, so an impeller with a cover disc.

Weiterhin umfasst die Strömungsmaschine 2 ein Gehäuse 18, in welchem das Laufrad 4 platziert ist. Ein Teil des Gehäuses 18 ist als Spiralgehäuse ausgebildet. Das heißt, das Gehäuse 18 weist einen Spiralgehäuseteil 20 mit einem spiralförmigen Hohlraum 22 auf. Furthermore, the turbomachine includes 2 a housing 18 in which the impeller 4 is placed. Part of the housing 18 is designed as a spiral housing. That is, the case 18 has a spiral housing part 20 with a spiral cavity 22 on.

Ferner weist die Strömungsmaschine 2 einen ringförmigen, bezüglich der Drehachse 6 axialsymmetrischen Diffusor 24 auf, welcher als eine Hohlkammer bzw. als ein Kanal im Gehäuse 18 ausgebildet ist. Der Diffusor 24 ist um einen Umfang des Laufrads 4 herum angeordnet und ist als Radialdiffusor ausgebildet. Außerdem mündet der Diffusor 24 in den Spiralgehäuseteil 20 bzw. in dessen Hohlraum 22. Furthermore, the turbomachine 2 an annular, with respect to the axis of rotation 6 axisymmetric diffuser 24 on, which as a hollow chamber or as a channel in the housing 18 is trained. The diffuser 24 is around a circumference of the wheel 4 arranged around and is designed as a radial diffuser. In addition, the diffuser opens 24 in the spiral housing part 20 or in its cavity 22 ,

Darüber hinaus ist in 1 ein Austrittsdurchmesser 26 des Laufrads 4 in Form eines Doppelpfeils kenntlich gemacht. In addition, in 1 an exit diameter 26 of the impeller 4 indicated in the form of a double arrow.

Des Weiteren weist der Diffusor 24 eine Mehrzahl von Diffusorschaufeln 28 auf. Das heißt, der Diffusor 24 ist ein beschaufelter Diffusor. Im vorliegenden Ausführungsbespiel weist der Diffusor 24 sechs Diffusorschaufeln 28 auf (vgl. 2), von denen in 1 lediglich zwei erkennbar sind. Grundsätzlich könnte der Diffusor 24 aber auch eine andere Anzahl von Diffusorschaufeln 28 aufweisen. Furthermore, the diffuser 24 a plurality of diffuser blades 28 on. That is, the diffuser 24 is a bladed diffuser. In the present embodiment, the diffuser has 24 six diffuser blades 28 on (cf. 2 ), of which in 1 only two are recognizable. Basically, the diffuser could 24 but also a different number of diffuser blades 28 exhibit.

Außerdem sind die Diffusorschaufeln 28 alternierend in einem ersten Abstand (gemessen zwischen einer Eintrittskante 30 der jeweiligen Diffusorschaufel 28 und der Drehachse 6) bzw. einem zweiten Abstand (gemessen zwischen einer Eintrittskante 30 der jeweiligen Diffusorschaufel 28 und der Drehachse 6) zur Drehachse 6 angeordnet. Die beiden in 1 dargestellten Diffusorschaufeln 28 sind jeweils im ersten Abstand 32 zur Drehachse 6 angeordnet. In addition, the diffuser vanes 28 alternating at a first distance (measured between an entry edge 30 the respective diffuser blade 28 and the axis of rotation 6 ) or a second distance (measured between an entry edge 30 the respective diffuser blade 28 and the axis of rotation 6 ) to the axis of rotation 6 arranged. The two in 1 illustrated diffuser blades 28 are each at the first distance 32 to the axis of rotation 6 arranged.

Die Strömungsmaschine 2 wird zum Verdichten eines Fluids, wie z.B. Luft, eingesetzt. Während des Betriebs der Strömungsmaschine 2 strömt das Fluid axial durch den Laufradeinlass 8 in das Laufrad 4 bzw. in die durch die Laufradschaufeln 14 gebildeten Strömungskanäle ein. Das Fluid wird durch das Laufrad 4 in Rotation versetzt und verlässt das Laufrad 4 radial nach außen durch den Laufradauslass 10. The turbomachine 2 is used to compress a fluid, such as air. During operation of the turbomachine 2 the fluid flows axially through the impeller inlet 8th in the wheel 4 or in through the impeller blades 14 formed flow channels. The fluid gets through the impeller 4 set in rotation and leaves the impeller 4 radially outward through the impeller outlet 10 ,

Von dort strömt das aus dem Laufrad 4 austretende Fluid in den Diffusor 24. Der Diffusor 24 wandelt einen Teil der kinetischen Energie des Fluids in potenzielle Energie in Form von Druck um und führt das Fluid in den Hohlraum 22 des Spiralgehäuseteils 20. From there it flows out of the impeller 4 escaping fluid into the diffuser 24 , The diffuser 24 converts some of the kinetic energy of the fluid into potential energy in the form of pressure and introduces the fluid into the cavity 22 of the spiral housing part 20 ,

2 zeigt eine Anordnung der Diffusorschaufeln 28 der Strömungsmaschine 2 aus 1 in einer Frontalansicht, wobei die Darstellung nicht maßstabsgetreu ist. Die zuvor erwähnte Drehachse 6 der Strömungsmaschine 2 verläuft senkrecht zur Zeichenebene der 2. 2 shows an arrangement of the diffuser blades 28 the turbomachine 2 out 1 in a frontal view, the representation is not to scale. The aforementioned axis of rotation 6 the turbomachine 2 runs perpendicular to the plane of the 2 ,

Darüber hinaus zeigt 2 die Radscheibe 16 des Laufrads 4 aus 1. In addition, shows 2 the wheel disc 16 of the impeller 4 out 1 ,

Der Einfachheit halber sind die Diffusorschaufeln 28 als ebene Schaufeln dargestellt. Grundsätzlich können die Diffusorschaufeln 28 beliebig geformt sein. For the sake of simplicity, the diffuser vanes 28 shown as flat blades. Basically, the diffuser blades can 28 be shaped as desired.

Wie zuvor erwähnt sind die Diffusorschaufeln 28 hinsichtlich ihres Abstands zur Drehachse 6 alternierend angeordnet. Das heißt, drei der sechs Diffusorschaufeln 28 sind im ersten Abstand 32 zur Drehachse 6 angeordnet. Die übrigen drei Diffusorschaufeln 6, die jeweils in Umfangsrichtung 36 der Diffusorschaufel-Anordnung zwischen zweien dieser drei Diffusorschaufeln 28 angeordnet sind, sind im zweiten Abstand 34 zur Drehachse 6 angeordnet. As previously mentioned, the diffuser vanes are 28 in terms of their distance to the axis of rotation 6 arranged alternately. That is, three of the six diffuser vanes 28 are at first distance 32 to the axis of rotation 6 arranged. The remaining three diffuser blades 6 , each in the circumferential direction 36 the diffuser vane arrangement between two of these three diffuser vanes 28 are arranged are in the second distance 34 to the axis of rotation 6 arranged.

Die erstgenannten drei Diffusorschaufeln 28 berühren mit ihrer jeweiligen Eintrittskante 30 einen (gedachten) Kreis, dessen Radius dem ersten Abstand 32 entspricht. Die anderen drei Diffusorschaufeln 28 hingegen berühren mit ihrer jeweiligen Eintrittskante 30 einen (gedachten) Kreis, dessen Radius dem zweiten Abstand 34 entspricht. Die Drehachse 6 verläuft durch den gemeinsamen Mittelpunkt beider Kreise. The first three diffuser blades 28 touch with their respective leading edge 30 a (imaginary) circle whose radius is the first distance 32 equivalent. The other three diffuser blades 28 however, touching with their respective leading edge 30 a (imaginary) circle whose radius is the second distance 34 equivalent. The rotation axis 6 passes through the common center of both circles.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der erste Abstand 32 dem 0,565-fachen des Austrittsdurchmessers 26 des Laufrads 4, während der zweite Abstand 34 dem 0,625-fachen des Austrittsdurchmessers 26 des Laufrads 4 entspricht. Somit ist der zweite Abstand 34 im vorliegenden Ausführungsbespiel circa 10,6% größer als der erste Abstand 32. In the present embodiment corresponds to the first distance 32 0.565 times the exit diameter 26 of the impeller 4 while the second distance 34 0.625 times the exit diameter 26 of the impeller 4 equivalent. Thus, the second distance 34 in the present embodiment about 10.6% greater than the first distance 32 ,

Beim Betrieb der Strömungsmaschine 2 führen die Diffusorschaufeln 28 zu Druckschwankungen in der fluidgefüllten Umgebung des Laufrads 4, welche das Laufrad 4 zu Schwingungen anregen. During operation of the turbomachine 2 lead the diffuser blades 28 to pressure fluctuations in the fluid-filled environment of the impeller 4 which the impeller 4 to stimulate vibrations.

Die zuvor beschriebene Anordnung der Diffusorschaufeln 28 bewirkt eine weniger regelmäßige Interaktion zwischen den Diffusorschaufeln 28 und dem Laufrad 4 (verglichen mit einem Diffusor, dessen Diffusorschaufeln alle in demselben Abstand zur Drehachse angeordnet sind). Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der diffusorbedingten Anregung des Laufrads 4 (gegenüber einem Diffusor, dessen Diffusorschaufeln alle in demselben Abstand zur Drehachse angeordnet sind). Insbesondere wird eine Amplitude der Anregung sowie die Wahrscheinlichkeit einer Überstimmung einer Anregungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz des Laufrads 4 verringert. The previously described arrangement of the diffuser blades 28 causes a less regular interaction between the diffuser blades 28 and the impeller 4 (compared to a diffuser, the diffuser vanes are all arranged at the same distance from the axis of rotation). This in turn leads to a reduction of the diffuser-induced excitation of the impeller 4 (opposite a diffuser, the diffuser vanes are all arranged at the same distance from the axis of rotation). In particular, an amplitude of the excitation and the probability of a match of an excitation frequency with a natural frequency of the impeller 4 reduced.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das offenbarte Beispiel eingeschränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed example, and other variations can be derived therefrom without departing from the scope of the invention.

Claims

Turbomachine ( 2 ) with an impeller ( 4 ), which about a rotation axis ( 6 ) is rotatably mounted, and a diffuser ( 24 ) comprising a plurality of diffuser blades ( 28 ), characterized in that at least one of the diffuser blades ( 28 ) at a first distance ( 32 ) to the axis of rotation ( 6 ) and at least one other of the diffuser blades ( 28 ) at a second distance ( 34 ) to the axis of rotation ( 6 ) is arranged.

Turbomachine ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the impeller ( 4 ) is a radial impeller and the diffuser ( 24 ) is a radial diffuser.

Turbomachine ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the turbomachine ( 2 ) is a radial compressor.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that of two adjacent diffuser blades ( 28 ) of the diffuser ( 24 ) a diffuser blade ( 28 ) at the first distance ( 32 ) to the axis of rotation ( 6 ) and the other diffuser blade ( 28 ) at the second distance ( 34 ) to the axis of rotation ( 6 ) is arranged.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a predetermined number of the diffuser blades ( 28 ) at the first distance ( 32 ) to the axis of rotation ( 6 ) and the same number of diffuser blades ( 28 ) at the second distance ( 34 ) to the axis of rotation ( 6 ) is arranged.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser ( 24 ) an even number of diffuser blades ( 28 ) having.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that 50% of the diffuser blades ( 28 ) at the first distance ( 32 ) to the axis of rotation ( 6 ) and the other 50% of the diffuser blades ( 28 ) at the second distance ( 34 ) to the axis of rotation ( 6 ) are arranged.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser blades ( 28 ) in terms of their distance ( 32 . 34 ) to the axis of rotation ( 6 ) are arranged alternately.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second distance ( 34 ) is at least 5%, in particular at least 10%, greater than the first distance ( 32 ).

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first distance ( 32 ) at least 0.525 times an exit diameter ( 26 ) of the impeller ( 4 ) corresponds.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second distance ( 34 ) at most 0.65 times an exit diameter ( 26 ) of the impeller ( 4 ) corresponds.

Turbomachine ( 2 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser blades ( 28 ) have a blade coverage of at most 1, in particular of at most 0.7.