DE102016215738A1

DE102016215738A1 - Laufrad, Verfahren zur Fertigung

Info

Publication number: DE102016215738A1
Application number: DE102016215738.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Paul Hartmann; Nico Petry
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018036958A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (IMP) eines Radialturboverdichters (RTC) zur Rotation um eine Achse (X) umfassend: ein im wesentlichen axialen Laufradeintritt, ein im wesentlichen radialen Laufradaustritt (INL), eine im wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT), eine Radscheibe (HWE), eine Deckscheibe (CWE), zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordnete Schaufeln (BLA), wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanäle (FCH) voneinander abgrenzen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Eintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradaustritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen, wobei die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser (MDIA) des Laufrads (IMP) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA) gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft Laufräder von Radialturboverdichtern vorgesehen zur Rotation um eine Achse umfassend:

– einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt,
– einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt,
– eine Radscheibe,
– eine Deckscheibe,
– zwischen Radscheibe und Deckscheibe angeordnete Schaufeln,
– wobei die Schaufeln in Umfangsrichtung Strömungskanäle voneinander abgrenzen,
– wobei die Schaufeln im Bereich des Eintritts jeweils eine Eintrittskante aufweisen,
– wobei die Schaufeln im Bereich des Austritts jeweils eine Austrittskante aufweisen,
– wobei die Radscheibe und/oder die Deckscheibe sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser des Laufrads erstrecken.

Derartige Laufräder sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden bei Radialturboverdichtern als Standard verbaut. Beispiele hierfür sind PCT/EP2013/053304 , PCT/EP2013/062998 , PCT/EP2015/069724 , PCT/EP2015/072208. Die Förderhöhe eines Radialturboverdichters ist unter anderem von der strömungstechnischen Ausgestaltung des Laufrades oder der Laufräder abhängig – mit anderen Worten: die geometrische Gestaltung des Laufrades, insbesondere der Strömungskanäle, die von den Schaufeln, der Radscheibe und der Deckscheibe definiert werden, ist entscheidend für die Förderhöhe des Verdichters bzw. des Beitrags des jeweiligen Laufrades zu der Förderhöhe.
Zur Anpassung der Förderhöhe ist es bekannt, die Schaufeln des Laufrades mittels Abdrehens der Austrittskanten zu reduzieren. Hierbei werden signifikante Anteile der Schaufeln im Bereich der Austrittskanten abgetragen, damit die Förderhöhe verringert ist und dementsprechend die gewollte Anpassung an die thermodynamischen Sollvorgaben gelingt.
Strömungstechnische Verluste, beispielsweise ungewollte Sekundärströmungen und Druckverluste, beispielsweise in Folge von unerwünschten Turbulenzen, führen regelmäßig zu einer Reduktion der Förderhöhe, weil die entsprechenden Anteile der Antriebsleistung nicht der Erreichung des thermodynamischen Ziels dienen, sondern als Verlustleistung verloren gehen.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Wirkungsgrad eines Laufrades der eingangs definierten Art zu verbessern und dementsprechend bei gleichem Energieeinsatz pro Zeit eine verbesserte Förderhöhe zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht eine Gestaltung des Laufrades gemäß Anspruch 1 vor. Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren gemäß Anspruch 2 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Laufrades vorgeschlagen.
Begriffe wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf die Rotationsachse des Laufrades, sofern dies nicht anders angegeben ist.
Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde. An den Schaufeln eines erfindungsgemäßen Laufrades liegen auf beiden Seiten üblicherweise verschiedene Druckniveaus vor. Auf der in Rotationsrichtung weisenden sogenannten Druckseite ist der Druck höher, als auf der gegenüberliegenden Saugseite. An der Austrittskante oder Hinterkante der Schaufeln tendiert das Prozessfluid daher stets, von der Druckseite zur Saugseite zu strömen, um die Druckdifferenz auszugleichen. Weil die Strömung des Prozessfluids hierbei so weit wie möglich versucht der Hinterkante zu folgen wird das Prozessfluid lokal stark umgelenkt bzw. beschleunigt, so dass es zu einem Druckabfall im Bereich dieser starken Umlenkung kommt. Der statische Druck senkt sich dort so weit ab, dass dort der Druck noch niedriger ist als im stromab des Laufrades und so auch in den Radseitenräumen. Dementsprechend kommt es zu einem Einströmen von Prozessfluid aus den Radseitenräumen in Bereichen der Schaufelaustrittskanten über die Radscheibe bzw. Deckscheibe. Das so angesaugte Fluid interagiert mit der aus dem Laufrad austretenden Strömung, so dass es zu sich aufrollenden Wirbeln kommt, die sich von der Hinterkante lösen und teilweise den Strömungskanal versperren. Diese Versperrung wirkt stromaufwärts ins Laufrad und führt zu einem flacheren Abströmwinkel der Strömung bzgl. des Relativsystems bzw. einer verringerten Umfangsgeschwindigkeit der Strömung bzgl. des Absolutsystems. Das reduziert die Arbeitsumsetzung des Laufrades teilweise erheblich, so dass es zu einer deutlich geringeren Stufenförderhöhe bzw. Förderhöhe der Maschine kommt.
Die Erfindung hat das oben beschriebene Phänomen als Nachteil der herkömmlichen Maschinen erkannt und beseitigt diesen durch das erfindungsgemäße Durchmesserverhältnis zwischen maximalem Durchmesser der Radscheibe bzw. Deckscheibe (insbesondere Radscheibe und Deckscheibe haben im Wesentlichen den gleichen maximalen Außendurchmesser) und dem maximalen Austrittskantenradius der Schaufeln.
Erfindungsgemäß sind die Austrittskanten der Schaufeln gegenüber dem maximalen Laufraddurchmesser im Bereich der Radscheibe bzw. Deckscheibe derart zurückversetzt, dass der Schaufel Austrittskantendurchmesser zwischen 99% und 99,8% des Durchmessers von Radscheibe bzw. Deckscheibe beträgt. In anderen Worten: die Schaufel wird bzgl. des Austrittskantendurchmessers zwischen 0,2% und 1% gegenüber dem Außendurchmesser der Radscheibe bzw. Deckscheibe zurückversetzt bzw. nachbearbeitet, insbesondere abgedreht in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Laufrades. Durch den nur etwas verkleinerten Schaufelaustrittskantendurchmesser gegenüber dem Außendurchmesser von Radscheibe bzw. Deckscheibe ist der statische Druck bei der radialen Position, die dem Außendurchmesser von Radscheibe und Deckscheibe entspricht, in Axialrichtung und Umfangsrichtung bereits nahezu ausgeglichen bzw. deutlich gleichmäßiger als ohne das erfindungsgemäße Ausdrehen der Schaufeln. Das liegt daran, dass die Drucksenke im Bereich der Schaufelhinterkante bzw. Austrittskante nur in unmittelbar Nähe der Oberfläche existiert in Folge der Umlenkung des Strömungsfluids zum Druckausgleich zwischen Saugseite und Druckseite. Durch die erfindungsgemäße Nacharbeitung bzw. das Ausdrehen der Austrittskanten gegenüber der Radscheibe bzw. Deckscheibe wird die Zuströmung von Fluid aus den beiden Radseitenräumen in den Bereich der Laufradschaufelhinterkante stark reduziert, ohne dass die Arbeitsumsetzung (betrachtet ohne das von der Erfindung erkannte Wirkungsgrad-mindernde Phänomen) durch diese geringe Nachbearbeitung relevant reduziert wird. Die minimale Reduzierung des Radius der Schaufelaustrittskante führt zu einer nur minimal geringeren Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelaustrittskante, so dass die theoretische Arbeitsumsetzung im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. In Folge der erfindungsgemäßen Verhinderung der störenden Zuströmung aus den Radseitenräumen und ggf. aus dem stromabwärts gelegenen Diffusor ergibt sich aber ein Förderhöhengewinn von ca. 6% bei damit einher gehender Steigerung des isentropen Wirkungsgrades um 0,7%. Diese zunächst überraschend erscheinenden Ergebnisse basieren auf der erfindungsgemäßen Erkenntnis, dass die starke lokal begrenzte Drucksenke im Bereich der Schaufelaustrittskante in Folge der Zuströmung aus den Radseitenräumen über die Radscheibe bzw. die Deckscheibe zu einer Verwirbelung und Verblockung des Austrittsquerschnitts der Strömungskanäle des Laufrades führt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines axialen Längsschnitts durch ein erfindungsgemäßes Laufrad,
2 ein Detail der 1 gemäß II,
3 ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines axialen Längsschnitts durch ein erfindungsgemäßes Laufrad IMP mit angrenzendem Gehäuse CAS, wobei das Laufrad IMP auf einer Welle SH montiert ist. Da das Laufrad IMP rotationssymmetrisch ist, ist nur eine radiale Hälfte dargestellt.
Das Laufrad IMP ist auf der Welle SH aufgeschrumpft mittels einer Radscheibe HWE, die einen konzentrischen Schrumpfsitz aufweist. Weiterhin umfasst das Laufrad IMP Schaufeln BLA und eine Deckscheibe CWE. Die Schaufeln BLA trennen einzelne Strömungskanale FCH in Umfangsrichtung von einander.
Die Schaufeln BLA sind als verbindendes Glied zwischen der Radscheibe HWE und der Deckescheibe CWE an beiden fest angebracht. Bevorzugt sind die Schaufeln BLA aus einem massiven Bauteil ausgefräst, wobei die Radscheibe HWE und die Schaufeln BLA bevorzugt dem gleichen massiven Rohling GRE entstammen. Die Deckscheibe CWE kann entweder, bei entsprechender fertigungstechnischer Möglichkeit, ebenfalls dem gleichen Rohling GRE entstammen oder alternativ als separates Bauteil gefertigt sein und anschließend an den radialen Außenkanten der Schaufeln befestigt werden. Die Befestigung erfolgt dann bevorzugt mittels Schweißens.
Die Schaufeln BLA erstrecken sich von einer Eintrittskante LEE bis zu einer Austrittskante TEE entlang der Umlenkung von einer im Wesentlichen axialen Strömungsrichtung in eine im Wesentlichen radiale Strömungsrichtung nach außen. Das Laufrad IMP ist von einem stationären Gehäuse CAS umgeben, das im Bereich des Austritts EXT des Laufrades IMP ein das Laufrad IMP durchströmendes Prozessfluid in einen anschließenden Diffusor DFF überleitet. Im Vergleich zu den Austrittskanten TEE weist die Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE einen um 0,2% bis 1% größeren Durchmesser auf, so dass der jeweilige maximale Radius MRAD der Austrittskanten TEE der Schaufeln BLA einen um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE geringeren Radius aufweist. Diese leichte Überhöhung der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE im Bereich des Austritts EXT des Laufrades IMP sorgt dafür, dass aus Radseitenräumen WSC seitens der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE kein Prozessfluid von einer sich im Bereich der Austrittskanten TEE ergebenden Drucksenke angesaugt werden kann.
Die Erfindung sieht vor, dass die Austrittskanten TEE um eine Durchmesserdifferenz DBW gegenüber dem maximalen Durchmesser MDIA der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE um 0,2% bis 1% des maximalen Durchmessers MDIA zurücksteht.
3 zeigt schematisch den Fertigungsablauf eines Verfahrens zur Fertigung eines Laufrades IMP nach der Erfindung. In einem Schritt a) wird ein Rohling GRE bereitgestellt. In einem Schritt b) erfolgt die Fertigung eines Impellers IMP aus dem Rohling GRE. In einem Schritt c) wird der Impeller IMP aus dem Schritt b) einer Nachbearbeitung unterzogen, bevorzugt einer Drehbearbeitung, bei der die Austrittskanten TEE der Schaufeln BLA erfindungsgemäß im Durchmesser gegenüber der Radscheibe HWE bzw. der Deckscheibe CWE gekürzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2013/053304 [0002]
EP 2013/062998 [0002]
EP 2015/069724 [0002]
EP 2015/072208 [0002]

Claims

Laufrad (IMP) eines Radialturboverdichters (RTC) zur Rotation um eine Achse (X) umfassend: – einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt (INL), – einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT), – eine Radscheibe (HWE), – eine Deckscheibe (CWE), – zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordnete Schaufeln (BLA), – wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanäle (FCH) voneinander abgrenzen, – wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Eintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen, – wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradaustritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen, – wobei die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser (MDIA) des Laufrads (IMP) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA) einen gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen. Verfahren zur Fertigung eines Laufrades (IMP) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Rohlings (GRE), b) Fertigen eines Impellers (IMP) aus dem Rohling (GRE) umfassend: – einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt (INL), – einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT), – eine Radscheibe (HWE), – einer Deckscheibe (CWE), – zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordneten Schaufeln (BLA), – wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanäle (FCH) voneinander abgrenzen, – wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradeintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradaustritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen, c) Nachbearbeiten der Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA), derart, dass die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser (MDIA) des Laufrades (IMP) erstrecken, wobei die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln ein gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen.