DE102016213296A1 - Strömungsmaschine und Verfahren zum Herstellen desselben - Google Patents

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Abstract

Strömungsmaschine (10), insbesondere Radialverdichter, mit einem Laufschaufeln (12) aufweisenden Rotor (11); mit einem vorzugsweise Leitschaufeln (17) aufweisenden Stator (13), der mindestens einen zu den Laufschaufeln (12) des Rotors (11) hinführenden Strömungskanal (14) und einen von den Laufschaufeln (12) des Rotors (11) wegführenden Strömungskanal (15) zumindest abschnittsweise begrenzt; wobei der Stator (13) im Bereich mindestens eines Strömungskanals (14, 15) mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement (23) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Radialströmungsmaschine, und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
  • Aus der US 6,669,436 B2 ist eine Strömungsmaschine, nämlich ein Radialverdichter, mit einem Laufschaufeln aufweisenden Rotor und einem Leitschaufeln aufweisenden Stator bekannt. Die Leitschaufeln des Stators sind dabei als, in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums gesehen, den Laufschaufeln des Rotors nachgeordnete Leitschaufeln eines Diffusors ausgebildet. Die Leitschaufeln sind demnach im Bereich eines Strömungskanals positioniert, der von den Laufschaufeln des Rotors wegführen. Aus der US 6,669,436 B2 ist es weiterhin bekannt, im Bereich des Diffusors, nämlich im Bereich der Leitschaufeln des Diffusors, ein Schalldämpfungselement vorzusehen. Dieses Schalldämpfungselement ist dabei integraler Bestandteil eines Diffusorrings, der als plattenartiger Ring mit mehreren Öffnungen ausgebildet ist, wobei die Öffnungen zu Hohlräumen führen. Das aus der US 6,669,436 B2 bekannte Schalldämpfungselement, welches integraler Bestandteil eines Diffusorrings ist, wirkt dabei als Resonator, der über Hohlräume verfügt, die über Öffnungen mit dem Strömungskanal im Bereich des Diffusors in Verbindung stehen. Die Dämpfungswirkung eines solchen Schalldämpfungselements ist begrenzt.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Strömungsmaschine und Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine nach Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß weist der Stator im Bereich mindestens eines Strömungskanals mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement auf. Ein derartiges Schalldämpfungselement verfügt über gute Schalldämpfungseigenschaften, des Weiteren kann dasselbe einfach und kostengünstig gefertigt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement als Metallschaumelement ausgebildet, welches vorzugsweise über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt und individuell als sintermetallschaumähnliches Element ausgebildet ist. Ein über ein generatives Fertigungsverfahren hergestelltes Metallschaumelement als Schalldämpfungselement ist besonders bevorzugt.
  • Vorzugsweise ist die Porosität des jeweiligen schaumartigen Schalldämpfungselements hinsichtlich Porenanzahl und/oder Porentiefe nicht gleichverteilt sondern lokal unterschiedlich. Die Variation der Porosität ist nicht allein abhängig von der Porengröße, sondern auch von der Materialdichte bei konstanter Porengröße. Auch die Variation der Porengröße und Porenform beeinflusst die Porosität. Über die unterschiedliche Verteilung der Porosität des jeweiligen Schalldämpfungselements können die Schalldämpfungseigenschaften sowie Festigkeitseigenschaften optimal eingestellt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement integraler Bestandteil eines Leitschaufeln aufweisenden Diffusors. Vorzugsweise weisen die Leitschaufeln eine Strömungseintrittskante, eine Strömungsaustrittskante und sich zwischen diesen Kanten erstreckende Strömungsführungsflächen auf, wobei in einem mittleren Bereich zwischen der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante eine größere Anzahl an Poren und/oder tiefere Poren ausgebildet ist und/oder sind als in zu der Strömungseintrittskante und der Strömungsaustrittskante angrenzenden Bereichen, und/oder wobei in einem mittleren Bereich zwischen den Strömungsführungsflächen benachbarter Leitschaufeln eine größere Anzahl an Poren und/oder tiefere Poren ausgebildet ist und/oder sind als in zu der jeweiligen Strömungsführungsfläche angrenzenden Bereichen. Hiermit können im Bereich des Diffusors die Schalldämpfungseigenschaften optimal eingestellt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind den jeweiligen Strömungskanal begrenzende Wände und/oder im jeweiligen Strömungskanal positionierte Leitschaufeln zumindest abschnittsweise als schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement ausgeführt. Dies erlaubt eine optimale Einstellung von Schalldämpfungseigenschaften im Bereich eines statorseitigen Strömungskanals einer Strömungsmaschine.
  • Das Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine ist in Anspruch 10 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen Axialschnitt durch eine als Radialverdichter ausgebildete Strömungsmaschine;
  • 2 einen Blick in Richtung II der 1 auf einen Diffusor des Radialverdichters der 1;
  • 3 einen Blick in Richtung II der 1 auf einen alternativen Diffusor des Radialverdichters der 1;
  • 4 einen Blick in Richtung II der 1 auf einen weiteren alternativen Diffusor des Radialverdichters der 1; und
  • 5 einen Axialschnitt durch eine weitere als Radialverdichter ausgebildete Strömungsmaschine.
  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Radialströmungsmaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Strömungsmaschine.
  • 1 und 2 zeigen unterschiedliche Ansichten einer als Radialverdichter ausgebildeten Strömungsmaschine 10.
  • Die als Radialverdichter ausgebildete Strömungsmaschine 10 der 1 und 2 verfügt über einen Rotor 11 mit Laufschaufeln 12. Ferner verfügt die als Radialverdichter ausgebildete Strömungsmaschine 10 über einen Stator 13, wobei der Stator 13 einerseits einen zu den Laufschaufeln 12 des Rotors 11 hinführenden, sich in Axialrichtung erstreckenden Strömungskanal 14 und andererseits einen sich in Radialrichtung erstreckenden, von den Laufschaufeln 12 des Rotors 11 wegführenden Strömungskanal 15 zumindest abschnittsweise begrenzt.
  • Bestandteil des Stators 13 ist ein Diffusor 16, der über Leitschaufeln 17 verfügt. Die Leitschaufeln 17 des Diffusors 16 sind in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums gesehen, stromabwärts der Laufschaufeln 12 des Rotors 11 in dem sich in Radialrichtung erstreckenden Strömungskanal 15 positioniert. Stromabwärts des Diffusors 16 schließt sich ein spiralförmiges Abströmgehäuse 18 des Stators 13 an. Die Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums ist in 1 durch Pfeile 19 visualisiert.
  • 2 zeigt einen Blick II auf den Diffusor 16, nämlich auf die Leitschaufeln 17 des Diffusors 16 und auf eine Wand 24 desselben. Jede der Leitschaufeln 17 verfügt über eine Strömungseintrittskante 20, eine Strömungsaustrittskante 21 sowie über sich zwischen der jeweiligen Strömungseintrittskante 20 und der Strömungsaustrittskante 21 erstreckende Strömungsführungsflächen 22.
  • Bei der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine weist der Stator 13 im Bereich mindestens eines Strömungskanals 14 und/oder 15 ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 auf.
  • Das jeweilige schaumartige, poröse Schalldämpfungselement 23 kann dabei als Metallschaumelement, insbesondere als sintermetallähnliches Element, oder als Kunststoffschaumelement ausgebildet sein. Im Falle eines Metallschaumelements ist dasselbe vorzugsweise über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2, in welchem der Stator 13 im Bereich des Diffusors 16 das oder jedes schaumartige, poröse Schalldämpfungselement 23 aufweist, ist vorgesehen, dass Wände 24 des Stators 13, die den von den Leitschaufeln 12 des Rotors 11 wegführenden Strömungskanal 15 im Bereich des Diffusors 16 abschnittsweise begrenzen, zumindest abschnittsweise als schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 ausgeführt sind, und zwar vorzugsweise an beiden axialen Seiten oder auch nur an einer axialen Seite des sich in Radialrichtung erstreckenden, von den Laufschaufeln 12 des Rotors 11 wegführenden Strömungskanals 15 des Stators 13 im Bereich des Diffusors 16. Dies erlaubt eine besonders effektive Schalldämpfung. Druckstöße, die vom Rotor 11 ausgehen und auf den Diffusor 16 wirken, können direkt an der Quelle gedämpft werden.
  • Im in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Porosität des jeweiligen schaumartigen Schalldämpfungselements gleichverteilt, das heißt, das schaumartige Schalldämpfungselement 23 weist hinsichtlich Anzahl und Tiefe sowie Größe der Poren eine Gleichverteilung auf.
  • Demgegenüber zeigen 3 und 4 Varianten der Erfindung, bei welcher das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement 23 hinsichtlich Porenanzahl und Porentiefe eine nicht gleichverteilte Porosität, sondern vielmehr eine lokal unterschiedliche Porosität aufweist. So sind auch in 3 und 4 die sich in Radialrichtung erstreckenden Wände 24, die den sich in Radialrichtung erstreckenden Strömungskanal 15 im Bereich des Diffusors 16 abschnittsweise begrenzen, abschnittsweise als schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 ausgeführt.
  • In 3 ist in einem mittleren Bereich zwischen der Strömungseintrittskante 20 und der Strömungsaustrittskante 21 eine größere Anzahl an Poren und eine größere Tiefe der Poren vorgesehen bzw. ausgebildet als in unmittelbar zu der Strömungseintrittskante 20 und der Strömungsaustrittskante 21 angrenzenden Bereichen.
  • In der Variante der 4 ist die Porosität der den sich in Radialrichtung erstreckenden Strömungskanal 15 begrenzenden Wände 24 des Rotors 13 im Bereich des Diffusors 16 zusätzlich derart lokal unterschiedlich, dass in einem mittleren Bereich zwischen den Strömungsführungsflächen 22 benachbarter Leitschaufeln 17 des Diffusors 16 eine größere Anzahl an Poren und tiefere Poren ausgebildet ist bzw. sind als unmittelbar benachbart zu der jeweiligen strömungsführenden Fläche 23 der jeweiligen Leitschaufel 17.
  • 5 zeigt eine Variante der Erfindung, in welcher die den sich in Radialrichtung erstreckenden Strömungskanal 15 im Bereich des Diffusors 16 begrenzenden Wände 24 des Stators 13 über ihre axiale Dicke gesehen eine lokal unterschiedliche Porosität aufweisen. So ist in 5 vorgesehen, dass in einem axial mittleren Bereich dieser Wände 24 größere Poren ausgebildet sind als unmittelbar angrenzend an den Strömungskanal 15.
  • Obwohl es bevorzugt ist, dass den jeweiligen Strömungskanal 14, 15 begrenzende Wände 24 zumindest abschnittsweise als schaumartige, poröse Schalldämpfungselemente 13 ausgeführt sind, ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass im jeweiligen Strömungskanal 14, 15 positionierte Leitschaufeln 17 zumindest abschnittsweise als schaumartige, poröse Schalldämpfungselemente 13 ausgeführt sind.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Stator 13 im Bereich des von den Laufschaufeln 12 des Rotors 11 wegführenden Strömungskanals 15 mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 auf.
  • Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass der Stator 13 im Bereich des zu den Laufschaufeln 12 des Rotors 11 hinführenden Strömungskanals 14 mindestens ein solches schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 aufweist.
  • In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Strömungsmaschine 10 als Radialverdichter ausgeführt. Es ist auch möglich, dass die Erfindung bei einer als Radialturbine ausgebildeten Radialströmungsmaschine zum Einsatz kommt. Bei einer Radialturbine verläuft ein zu den Laufschaufeln des Rotors hinführenden Strömungskanal in Radialrichtung und ein von den Laufschaufeln des Rotors wegführender Strömungskanal in Axialrichtung. Alternativ möglich sind allerdings auch Strömungsmaschinen, die eine radiale und/oder axiale Bauart miteinander kombinieren.
  • Das jeweilige schaumartige, poröse Schalldämpfungselement 23 erzeugt eine viskose Schalldämpfung. Schall kann so effektiver als üblichen Resonator-Schalldämpfern gedämpft werden. Insbesondere können auch hochfrequente Schwingungsanregungen des Rotors und dem Rotor nachgelagerter Baugruppen reduziert werden. Es fällt auch weniger Druckverlust in der Strömung als bei Resonator-Schalldämpfern an.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschine, hierzu werden der Rotor 11 und der Stator 13 bereitgestellt.
  • Beim Rotor 11 kann es sich um ein Feingussbauteil, spanend bearbeitete Schmiedebauteil oder spanend bearbeitetes integral gefertigtes Bauteil handeln.
  • Ferner kann es sich beim Stator 13 zumindest abschnittsweise um ein Feingussbauteil handeln.
  • Der Stator 13 wird zumindest abschnittsweise, nämlich im Bereich des oder jedes schaumartigen, porösen Schalldämpfungselements 23, über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt.
  • Dann, wenn das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement 23 als Metallschaumelement ausgebildet ist, kann insbesondere ein additives Fertigungsverfahren wie z.B. (selektives) Laserstrahlschmelzen oder Elektronenstrahlschweißen genutzt werden. In diesem Fall ist der Metallschaum dann ein sintermetallähnlicher, generierter Metallschaum.
  • Dann, wenn der Diffusor 16 mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 aufweist, ist vorzugsweise ein sogenannter Diffusorring des Diffusors 16, der zumindest einen Abschnitt einer der Wände 24 des statorseitigen Diffusors 16 und integral auch die Leitschaufeln 17 desselben bereitstellt, über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt. In diesem Fall ist das jeweilige Schalldämpfungselement 23 integraler Bestandteil des Diffusorrings und damit des Diffusors 16. Der Diffusorring stellt die Leitschaufeln 17 des Diffusors 16 und zumindest abschnittsweise eine der Wände 24 bereit, die den sich in Radialrichtung erstreckenden Strömungskanal 15 begrenzen.
  • Derjenige Abschnitt des Stators 13, der ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement 23 umfasst und über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist, wird mit einem angrenzenden, vorzugsweise durch Feingießen hergestellten Abschnitt des Stators 13 verbunden und hierzu vorzugweise in eine entsprechende Ausnehmung im durch Feingießen hergestellten Abschnitt des Stators 13 eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Strömungsmaschine
    11
    Rotor
    12
    Laufschaufel
    13
    Stator
    14
    Strömungskanal
    15
    Strömungskanal
    16
    Diffusor
    17
    Leitschaufel
    18
    Abströmgehäuse
    19
    Strömungsrichtung
    20
    Strömungseintrittskante
    21
    Strömungsaustrittskante
    22
    Strömungsführungsfläche
    23
    Schalldämpfungselement
    24
    Wand
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6669436 B2 [0002, 0002, 0002]

Claims (11)

  1. Strömungsmaschine (10), insbesondere Radialverdichter, mit einem Laufschaufeln (12) aufweisenden Rotor (11); einem vorzugsweise Leitschaufeln (17) aufweisenden Stator (13), der mindestens einen zu den Laufschaufeln (12) des Rotors (11) hinführenden Strömungskanal (14) und einen von den Laufschaufeln (12) des Rotors (11) wegführenden Strömungskanal (15) zumindest abschnittsweise begrenzt; dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) im Bereich mindestens eines Strömungskanals (14, 15) mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement (23) aufweist.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement (23) als Metallschaumelement, insbesondere als sintermetallschaumähnliches Element, oder als Kunststoffschaumelement ausgebildet ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement (23) über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt ist.
  4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des jeweiligen schaumartigen Schalldämpfungselements (23) derart gleichverteilt ist, dass Porenanzahl und Porentiefe lokal gleichförmig ist.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des jeweiligen schaumartigen Schalldämpfungselements (23) hinsichtlich Porenanzahl und/oder Porentiefe nicht gleichverteilt sondern lokal unterschiedlich ist.
  6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige schaumartige Schalldämpfungselement (23) Bestandteil eines Leitschaufeln (17) aufweisenden statorseitigen Diffusors (16) ist und/oder einlaufseitigen Strömungsbereichs ist.
  7. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17) eine Strömungseintrittskante (20), eine Strömungsaustrittskante (21) und sich zwischen diesen Kanten (20, 21) erstreckende Strömungsführungsflächen (22) aufweisen, wobei in einem mittleren Bereich zwischen der Strömungseintrittskante (20) und der Strömungsaustrittskante (21) eine größere Anzahl an Poren und/oder tiefere Poren, und/oder variierender Porengröße und/oder variierender Porendichte und/oder Porenform ausgebildet ist und/oder sind als in zu der Strömungseintrittskante (20) und der Strömungsaustrittskante (21) angrenzenden Bereichen.
  8. Strömungsmaschine nach Anspruch 5 und 6 oder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (17) eine Strömungseintrittskante (20), eine Strömungsaustrittskante (21) und sich zwischen diesen Kanten (20, 21) erstreckende Strömungsführungsflächen (22) aufweisen, wobei in einem mittleren Bereich zwischen den Strömungsführungsflächen (22) benachbarter Leitschaufeln (17) eine größere Anzahl an Poren und/oder tiefere Poren ausgebildet ist und/oder sind als in zur der jeweiligen Strömungsführungsfläche (22) angrenzenden Bereichen.
  9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass den jeweiligen Strömungskanal (14, 15) begrenzende Wände (24) und/oder im jeweiligen Strömungskanal (14, 15) positionierte Leitschaufeln (17) zumindest abschnittsweise als schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement (13) ausgeführt sind.
  10. Verfahren zum Herstellen einer Strömungsmaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Bereitstellen des Rotors (11); Bereitstellen des Stators (13); dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (13) zumindest abschnittsweise, nämlich im Bereich eines mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselement (23) aufweisenden Abschnitts, über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Abschnitt des Stators (13) durch Feingeißen und/oder spanend bearbeitetes Schmiedebauteil und/oder spanend bearbeitetes integral gefertigtes Bauteil hergestellt wird, und dass mindestens ein zweiter Abschnitt des Stators (13), der mindestens ein schaumartiges, poröses Schalldämpfungselements (23) umfasst und über ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird, in eine entsprechende Ausnehmung im ersten Abschnitt eingesetzt wird.
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