DE102022203619A1

DE102022203619A1 - Verdichterschaufel zur Umlenkung eines strömenden Mediums in einem Verdichter, insbesondere Radialverdichter, Rotor und System

Info

Publication number: DE102022203619A1
Application number: DE102022203619.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Schaffrath; Eberhard Nicke; Maximilian Kriese; Bojan Kajasa; Martino Köhler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-04-11
Filing date: 2022-04-11
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel (1) zur Umlenkung eines strömenden Mediums in einem Verdichter, insbesondere Radialverdichter, sowie einen Rotor und ein System, wobei die Verdichterschaufel (1) einen Anströmbereich (12) und einen Abströmbereich (13) aufweist, wobei mindestens eine erste Profillinie (7, 8) der Verdichterschaufel (1) einen Punkt des Anströmbereichs (12) mit einem Punkt des Abströmbereichs (13) verbindet, wobei ein Krümmungswinkelverlauf (30) der mindestens einen ersten Profillinie (7, 8) einen Wechsel (14) von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel zur Umlenkung eines strömenden Mediums in einem Verdichter, insbesondere in einem Radialverdichter, sowie einen Rotor und ein System.
Die Dekarbonisierung von Produktionsprozessen spielt eine wichtige Rolle auf dem Weg zu einer umweltfreundlichen Wirtschaft. Insbesondere der Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen bietet großes Potential, Produktionsprozesse von fossilen Energieträgern unabhängiger zu machen. Wärmepumpen transportieren üblicher Weise Wärmeenergie, beispielsweise Umgebungswärme, von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke, wobei die Wärmesenke ein höheres Temperaturniveau als die Wärmequelle aufweisen kann. Hochtemperatur-Wärmepumpen umfassen zu diesem Zwecke typischer Weise Komponenten wie einen oder mehrere Verdichter, einen Wärmetauscher sowie ein Entspannungsventil. Die Wärmeenergie wird hierbei durch ein strömendes Medium, auch Kältemittel genannt, innerhalb der Hochtemperatur-Wärmepumpe transportiert.
Ein aktuell niedriger Wirkungsgrad von Hochtemperatur-Wärmepumpen, insbesondere ein niedriger Wirkungsgrad der in Hochtemperatur-Wärmepumpen verwendeten Verdichter, stellt ein Hindernis für die wirtschaftliche Integration dieser Technologie in bestehende oder neue industrielle Prozesse dar.
Eine Maßnahme zur Überwindung dieses Hindernisses ist daher die gezielte Verbesserung von Verdichtern, insbesondere Radialverdichtern, die aktuell in Hochtemperatur-Wärmepumpen oder anderen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Um mittels einer Wärmepumpe, insbesondere mittels eines Verdichters bzw. Radialverdichters, eine Temperatur eines Mediums bzw. Kältemittels durch ein Verdichten des Mediums anheben zu können, ist ein besonders hohes Druckverhältnis zwischen einem Druck eines strömenden Mediums nach dem Verdichten und einem Druck des Mediums vor dem Verdichten gewünscht. Mit Hinblick auf einen verbesserten Wirkungsgrad von Verdichtern sowie ein gesteigertes Druckverhältnis bieten insbesondere Verdichterschaufeln ein Optimierungspotential.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Schaufeln für Verdichter bekannt, wobei jeweils unterschiedliche Aspekte der Schaufelgeometrie beschrieben werden.
So betrifft die US 2004/0005220 A1 ein Laufrad für Zentrifugalkompressoren mit einer Vielzahl von Schaufeln. Die Schaufeln weisen jeweils ein Nabenende auf, welche an einer zentralen Nabe befestigt ist. Hierbei weist jede Schaufel eine Dicke auf, die zu dem Nabenende hin progressiv zunimmt, wobei eine Saugflächenseite der Schaufel eine größere Dickenzunahme in Bezug auf eine neutrale Ebene als die Druckflächenseite der Schaufel aufweist.
Die EP 1 948 939 A1 beschreibt Radialverdichterschaufeln mit einer gekrümmten Oberfläche. Ein Teilbereich einer Schaufeloberfläche ist insbesondere doppeltgekrümmt. Hierzu ist eine Erzeugende eines solchen Teilbereichs als eine gekrümmte Linie ausgebildet ist, wobei der gekrümmte Teilbereich senkrecht zur Erzeugenden ebenfalls gekrümmt ist.
Das aus dem Stand der Technik Bekannte hat zum Nachteil, dass der gewünschte Wirkungsgrad sowie die gewünschten Druckverhältnisse nicht erreicht werden können.
Es stellt sich somit das technische Problem, eine verbesserte Verdichterschaufel zu schaffen, welche hinsichtlich des Wirkungsgrads und hinsichtlich der erreichbaren Druckverhältnisse optimiert ist. Vorzugsweise ist das mittels der verbesserten Verdichterschaufel erreichbare Temperaturniveau einer Wärmesenke in der Hochtemperatur-Wärmepumpe höher als 150°C.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird daher eine Verdichterschaufel zur Umlenkung eines strömenden Mediums in einem Verdichter, insbesondere Radialverdichter, wobei die Verdichterschaufel einen Anströmbereich und einen Abströmbereich aufweist, wobei mindestens eine Profillinie der Verdichterschaufel einen Punkt des Anströmbereichs mit einem Punkt des Abströmbereichs verbindet, wobei ein Krümmungswinkelverlauf der mindestens einen Profillinie einen Wechsel von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung aufweist.
Ein Verdichter oder Radialverdichter kann ein Gehäuse aufweisen, dessen Innenseite eine Berandung für das strömende Medium darstellt. Innerhalb eines solchen Gehäuses kann ein Rotor mit einer Rotornabe bzw. Laufradnabe angeordnet sein, wobei an der Rotornabe bzw. Laufradnabe eine Vielzahl von Verdichterschaufeln befestigt ist. Der Rotor ist beispielsweise auf einem Ende einer Welle gelagert und über die Welle mit einem elektrischen Motor oder einem anderen Drehmomentgeber gekoppelt. Durch den Drehmomentgeber kann der Rotor angetrieben werden. Hierdurch kann das Medium dann z.B. in einer axialen Anströmrichtung vom Rotor angesaugt werden und somit in einen strömenden Zustand versetzt werden. Mittels der Verdichterschaufeln wird das strömende Medium dann in einer Abströmrichtung umlenkt, wobei Rotationsenergie des Rotors auf das Medium übertragen wird und der im Medium wirkende Druck erhöht werden kann. Zusätzlich kann in der Abströmrichtung nach bzw. hinter dem Rotor ein Leitrad bzw. Diffusor als Teil des Verdichters bzw. Radialverdichters vorgesehen sein, um kinetische Energie des Mediums in statischen Druck umzuwandeln.
Das strömende Medium ist vorzugsweise Wasser bzw. Wasserdampf. Selbstverständlich kann das strömende Medium auch ein anderes Medium wie beispielsweise Propan oder Ammoniak sein. Die Vorteile von Wasser als Medium ergeben sich insbesondere aus dem (gegenüber anderen Medien) günstigen Anschaffungspreis, der Verfügbarkeit sowie der Umweltverträglichkeit bei gleichzeitig ausreichender Wärmekapazität. Vorzugsweise ist, insbesondere bei einem Einsatz von Wasser bzw. Wasserdampf als Medium, das mittels der verbesserten Verdichterschaufel erreichbare Temperaturniveau einer Wärmesenke in der Hochtemperatur-Wärmepumpe höher als 150°C. Denkbar ist auch, dass Luft oder Kohlenstoffdioxid als Medium verwendet wird.
Eine Längsachse eines kartesischen (Referenz-)Koordinatensystems ist vorzugsweise in Richtung der Anströmrichtung orientiert. Die Anströmrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer Rotations- bzw. Axialachse des Rotors und parallel zu der Längsachse des Koordinatensystems orientiert, wobei die Orientierung der Längsachse und der Anströmrichtung gleich sind. Eine Querachse und eine Hochachse des Koordinatensystems sind senkrecht zu der Längsachse orientiert. Ein solches Koordinatensystem ist vorzugsweise ein globales oder zumindest ortfestes Koordinatensystem, wobei sich das Koordinatensystem nicht mit der Verdichterschaufel, dem Rotor oder dem Medium mitbewegt. Es handelt sich also insbesondere nicht um ein Relativkoordinatensystem. Insbesondere handelt es sich um ein linkshändiges Koordinatensystem. Insbesondere kann die Hoch- oder Querachse auch jeweils eine Radialachse des Rotors sein. Vorzugsweise ist die Radialachse parallel zu einem Radius des Rotors orientiert. Eine Umfangsrichtung ist hierbei vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des kartesischen Koordinatensystems orientiert.
Die Abströmrichtung kann senkrecht zur Anströmrichtung orientiert sein. Vorzugsweise ist die Abströmrichtung parallel zur Hochachse und/oder Querachsen, insbesondere parallel zur Radialachse orientiert.
Im Folgenden angeführte Richtungs- bzw. Ortsangaben wie „in axialer Richtung“ orientieren sich entlang der oben beschriebenen Längsachse bzw. Rotations- oder Axialachse. Im Folgenden angeführte Richtungs- bzw. Ortsangaben wie „in radialer Richtung“ orientieren sich entlang der oben beschriebenen Radialachse bzw. Quer- oder Hochachse.
Die Rotationsachse des Rotors ist vorzugsweise parallel zu der Längsachse des Koordinatensystems orientiert. Eine Rotationsrichtung des Rotors verläuft vorzugsweise gegen den Uhrzeigersinn in einer Rotationsebene, insbesondere bezogen auf die Orientierung der Längsachse. Die Rotationsebene ist hierbei senkrecht zur Rotationsachse, insbesondere zur Längsachse des Koordinatensystems, orientiert. Eine Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterschaufel bzw. des Rotors liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 78000 Umdrehungen pro Minute (einschließlich) und 85000 Umdrehungen pro Minute (einschließlich). Die Rotationsgeschwindigkeit hat hierbei maßgebliche Auswirkungen auf das erzeugbare Druckverhältnis sowie die strukturellen Belastungen der Verdichterschaufel.
In Anströmrichtung strömt das unverdichtete Medium die Verdichterschaufel im Anströmbereich an. Der Anströmbereich bezeichnet also einen Teil der Verdichterschaufel, in welchem das strömende Medium initial mit der Verdichterschaufel in Kontakt kommt. Der Anströmbereich kann als Kante oder Fläche ausgebildet sein. Der Anströmbereich wird auch als Anströmkante oder leading edge bezeichnet. Ist der Anströmbereich als Anströmkante ausgebildet, so kann die Anströmkante, insbesondere in der Rotationsebene und/oder einer Ebene senkrecht zu der Rotationsebene ein wellenförmiges Profil aufweisen. Ein solches wellenförmiges Profil der Anströmkante wirkt sich vorteilhaft auf das Bilden einer dünnen und homogenen Grenzschicht zwischen dem strömenden Medium und der Verdichterschaufel aus. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
Das strömende Medium kann dann entlang der mindestens einen Profillinie der Verdichterschaufel vom Anströmbereich in den Abströmbereich geleitet bzw. entlang der Profillinie beschleunigt werden. Der Abströmbereich kann ebenfalls als Kante oder Fläche ausgebildet sein. Der Abströmbereich wird auch als Abströmkante oder trailing edge bezeichnet. Vom Abströmbereich ausgehend strömt das beschleunigte bzw. verdichtete Medium dann in Abströmrichtung von der Verdichterschaufel weg.
Sind der An- und der Abströmbereich als Kante ausgebildet, so kann eine Gesamtoberfläche der Verdichterschaufel aus mindestens drei Flächen bestehen. Eine erste Fläche ist dann eine Grundfläche der Verdichterschaufel. Entlang der Grundfläche kann die Verdichterschaufel mit einer Rotornabe bzw. einer Oberfläche der Rotornabe verbunden werden. Die Grundfläche ist im bestimmungsgemäßen Befestigungszustand also der Rotornabe bzw. Oberfläche der Rotornabe zugewandt und liegt an dieser an, ist somit also nicht vom Medium kontaktierbar. Die zwei weiteren Flächen der Verdichterschaufel, die vom Medium kontaktierbar sind, können eine Druckoberfläche und eine Saugoberfläche der Verdichterschaufel sein. Die Druckoberfläche kann durch eine erste Kante zwischen Grundfläche und Druckoberfläche, die Anströmkante, die Abströmkante sowie eine gemeinsame Kante zwischen Druck- und Saugoberfläche begrenzt sein. Die Saugoberfläche kann durch eine weitere, der ersten Kante insbesondere gegenüberliegende, Kante zwischen der Grundfläche und der Saugoberfläche, die Anströmkante, die Abströmkante sowie die gemeinsame Kante mit der Druckoberfläche begrenzt sein. Die gemeinsame Kante zwischen Druck- und Saugoberfläche kann in einem bestimmungsgemäßen Befestigungszustand der Rotornabe eine freie Kante der Verdichterschaufel sein. Eine Kante zwischen zwei Flächen bezeichnet hierbei eine Kante, an der die beiden Flächen aneinanderstoßen.
Insbesondere können alle Flächen der Verdichterschaufel gewölbt sein, d.h. die Verdichterschaufel weist eine charakteristische Form bzw. Geometrie auf. Zum besseren Verständnis kann die Geometrie bzw. Gesamtoberfläche der Verdichterschaufel insbesondere durch Profillinien und Erzeugende in einem Gitter dargestellt werden, wobei die Profillinien die Erzeugenden schneiden, insbesondere senkrecht schneiden. Die mindestens eine Profillinie kann beispielsweise als die erste oder weitere Kante der Grundfläche, also die Kante zwischen Grundfläche und Saugoberfläche oder als die Kante zwischen Grundfläche und Druckoberfläche, ausgebildet sein. Eine solche Profillinie kann als Naben-Profillinie bezeichnet werden. Eine Naben-Profillinie kann aber auch entlang der Grundfläche vom Anströmbereich zum Abströmbereich verlaufen, wobei das Medium also nicht zwingend mit der Naben-Profillinie in Kontakt kommt. Die Naben-Profillinie kann insbesondere eine Mittellinie der Grundfläche sein, beispielsweise eine Randlinie einer Skelettfläche. Diese wird im Folgenden noch näher erläutert. Es ist aber auch möglich, dass die Naben-Profillinie eine Linie ist, die in der Grundfläche verläuft und sich vom Anströmbereich zum Abströmbereich erstreckt. Die mindestens eine Profillinie kann aber auch als die Kante zwischen Saug- und Druckoberfläche ausgebildet sein, also der freien Kante der Verdichterschaufel entsprechen. Eine solche Profillinie kann als Spitzen-Profillinie bezeichnet werden. Eine Erzeugende der Saug- oder Druckfläche kann hierbei beispielsweise die Anströmkante sein.
Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Flächen kann die Verdichterschaufel durch eine Deckfläche begrenzt sein. In diesem Fall weist die Verdichterschaufel keine Kante zwischen Saug- und Druckoberfläche auf, sondern eine Kante zwischen Deckfläche und Saugoberfläche und eine weitere Kante zwischen Deckfläche und Druckoberfläche. Mit anderen Worten ist die Verdichterschaufel an einem freien Ende abgeflacht und zwischen Saug- und Druckoberfläche nicht spitz zulaufend. Die Deckfläche ist somit insbesondere zwischen Saug- und Druckoberfläche der Verdichterschaufel angeordnet. In diesem Fall kann eine Kante zwischen Deckfläche und Saugoberfläche eine Spitzen-Profillinie und eine gegenüberliegende Kante zwischen Deckfläche und Druckoberfläche ebenfalls eine Spitzen-Profillinie sein. Eine Spitzen-Profillinie kann aber auch in entlang der Deckfläche vom Anströmbereich zum Abströmbereich verlaufen. Die Spitzen-Profillinie kann insbesondere eine Mittellinie der Deckfläche sein, beispielsweise als eine Randlinie einer Skelettfläche. Es ist aber auch möglich, dass die Spitzen-Profillinie eine Linie ist, die in der Deckfläche verläuft und sich vom Anströmbereich zum Abströmbereich erstreckt.
Ein Material der Verdichterschaufel kann beispielsweise eine Nickellegierung oder verzinkter Stahl sein. Vorzugsweise weist das Material Titan oder Titanaluminide auf.
Jede der Profillinien beginnt jeweils in einem Punkt des Anströmbereichs - auch Startpunkt genannt - und endet jeweils in einem Punkt des Abströmbereichs - auch Endpunkt genannt. Die mindestens eine Profillinie kann durch eine Kurve entlang einer Oberfläche oder Kante der Verdichterschaufel in einem durch das kartesische Koordinatensystem aufgespannten Raum beschrieben werden. Wie zuvor erwähnt verleihen insbesondere die Profillinien bzw. deren Verlauf der Verdichterschaufel eine charakteristische Form bzw. Geometrie und beeinflussen maßgeblich die Funktionsweise der Verdichterschaufel. Der Verlauf einer Profillinie kann durch den Krümmungswinkelverlauf charakterisiert werden.
Der Krümmungswinkelverlauf ergibt sich insbesondere aus den Krümmungswinkeln, die für verschiedene Punkte einer Profillinie entlang ihres Verlaufs bemessen werden bzw. aus Krümmungswinkeln, die den verschiedenen Punkten zugeordnet sind. Der Krümmungswinkel kann beispielsweise für einen Punkt der Profillinie bzw. dessen Projektion in die Rotationsebene des Rotors bemessen werden. Hierbei wird der Krümmungswinkel zwischen einer Tangente einer Kreisbahn dieses Punktes, also der Kreisbahn, auf der sich der Punkt bei Rotation des Rotors um die Rotationsachse in der Rotationsebene bewegt, und einer Tangente der Profillinie in diesem Punkt in der Projektionsebene bei Projektion dieses Punktes in die Rotationsebene bemessen. Eine Vorwärtskrümmung ergibt sich, wenn der Krümmungswinkel, der sich in Rotationsrichtung zwischen der Tangente der Kreisbahn und der Tangente der Profillinie ergibt, kleiner als 90° ist. Eine Rückwärtskrümmung ergibt sich hingegen, wenn der so bemessene Krümmungswinkel größer als 90° ist. Ist der Krümmungswinkel mit genau 90° bemessen, so liegt eine Radialkrümmung vor. Der Wechsel des Krümmungsverlaufs kann also durch eine, insbesondere stetige, Veränderung des Krümmungswinkels von einem Wert von kleiner 90° zu einem Wert von größer 90° beschrieben werden.
Der Krümmungswinkelverlauf der Profillinie wirkt sich maßgeblich auf den erzielbaren Wirkungsgrad der Verdichterschaufel und das erzeugbare Druckverhältnis aus. Für Verdichter, insbesondere Radialverdichter, wirken sich die beschriebenen Krümmungen wie folgt aus.
Mit einer Vorwärtskrümmung kann insbesondere eine hohe Beschleunigung des strömenden Mediums erreicht werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die erzeugbaren Druckverhältnisse aus.
Mit einer Rückwärtskrümmung kann hingegen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden, da insbesondere eine Grenzschicht des strömenden Mediums gegenüber einer Rückwärtskrümmung dünner und homogener ist.
Hieraus entsteht ein Zielkonflikt zwischen dem Erzielen eines möglichst hohen Wirkungsgrads und dem gleichzeitigen Erzeugen eines möglichst hohen Druckverhältnisses. Diesen Zielkonflikt haben die Erfinder erkannt und durch Vorsehen eines Wechsels des Krümmungswinkelverlaufs der mindestens einen Profillinie von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung gelöst. Dieser Zielkonflikt wird insbesondere bei im Wesentlichen gleichbleibendem Bauraumbedarf gelöst, also vorzugsweise bei einem gleichbleibenden Durchmesser des Rotors bzw. einer gleichbleibenden Länge der Verdichterschaufeln. Zudem ergibt sich durch die Erfindung (gegenüber einem Krümmungswinkelverlauf, in welchem an jedem Punkt der Profillinie eine Rückwärtskrümmung vorliegt), dass die auf das strömende Medium übertragene Energie nicht nur in kinetische Energie umgewandelt wird und eine notwendige Umwandlung der kinetischen Energie über das erwähnte Leitrad bzw. den Diffusor in statischen Druck zumindest reduziert werden kann. Insbesondere kann durch Vermeiden einer solchen Umwandlung von kinetischer Energie in statischen Druck der erzielbare Wirkungsgrad des Verdichters gesteigert werden.
Weiter hat sich in computergestützten aerodynamischen Simulationen ein Winkelbereich von 40° (einschließlich) bis 90° (ausschließlich) für eine Vorwärtskrümmung und ein Winkelbereich von 90° (ausschließlich) bis 110° (ausschließlich) für eine Rückwärtskrümmung als besonders vorteilhaft erwiesen.
Die mindestens eine Profillinie ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Medium entlang dieser Profillinie derart umgelenkt bzw. geleitet wird, dass (ausgehend vom Anströmbereich) zuerst die Vorteile einer Vorwärtskrümmung und nach dem Wechsel bis zum Erreichen des Abströmbereichs die Vorteile der Rückwärtskrümmung genutzt werden können. Insbesondere weist ein Teil der Profillinie (in axialer Richtung) vor dem Wechsel eine Vorwärtskrümmung auf. Vorzugsweise weist eine Mehrzahl von Profillinien einen Wechsel des Krümmungswinkelverlaufs auf, so dass die hierin erwähnten Vorteile für möglichst viele Profillinien verwirklicht werden. Besonders bevorzugt ist der Krümmungswinkelverlauf stetig. Die mindestens eine Profillinie weist also besonders bevorzugt keine sprunghaften Veränderungen des Krümmungswinkels auf, wodurch keine unerwünschten Veränderung der Homogenität und der Dicke einer Grenzschicht zwischen Verdichterschaufel bzw. Profillinie und strömendem Medium auftreten. Nach dem Wechsel des Krümmungswinkelverlaufs können dann die zuvor beschriebenen Vorteile der Rückwärtskrümmung verwirklicht werden, also insbesondere das Erzielen einer besonders dünnen und homogenen Grenzschicht.
Insbesondere ist in dem Teil der Profillinie mit der Rückwärtskrümmung die Grenzschicht des strömenden Mediums dünner und insbesondere homogener gegenüber einer zu erwartenden Grenzschicht im Fall einer Vorwärtskrümmung. Mit einer dünneren und homogeneren Grenzschicht gehen insbesondere geringere Verluste hinsichtlich des Wirkungsgrads des Verdichters einher. Weiter kann das strömende Medium entlang dieser dünnen und insbesondere homogenen Grenzschicht von dem Teil der Profillinie mit einer Rückwärtskrümmung in einen Bereich hinter dem Abströmbereich übergeleitet werden. So können die Vorteile der Rückwärtskrümmung über die Profillinie bzw. Verdichterschaufel hinaus in einen Bereich hinter dem Abströmbereich wirken. Mit anderen Worten werden durch die Erfindung die vorteilhaften Effekte beider Arten der Krümmung, also die Effekte von Vorwärts- und Rückwärtskrümmung, synergetisch kombiniert, um das technische Problem zu lösen.
Durch die beschriebenen Eigenschaften der Verdichterschaufel wird zum einen der Wirkungsgrad und das Druckverhältnis des Verdichters, insbesondere eines Radialverdichter, verbessert. Zum anderen kann durch die beschriebenen Eigenschaften der Verdichterschaufel ein Druckverhältnis erzeugt werden, welches das Erreichen eines Temperaturniveaus einer Wärmesenke von mehr als 150°C, vorzugsweise von mehr als 300°C, besonders bevorzugt von mehr als 500°C, ermöglicht. Das Temperaturniveau des Mediums bezieht sich insbesondere auf eine Temperatur des strömenden Mediums nach dem Verdichten, also auf ein Temperaturniveau, welches in einem Bereich, z.B. eine Wärmesenke hinter dem Abströmbereich, also nach dem Verdichten des Mediums, bestimmt wird. Insbesondere kann mit der Verdichterschaufel ein solches Druckverhältnis erzeugt werden, welches zum Erreichen des beschriebenen Temperaturniveaus bei Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf als strömendes Medium erforderlich ist. Weiter wird durch die beschriebenen Eigenschaften auch ein gegebener Bauraumbedarf des Verdichters bestmöglich genutzt, da insbesondere eine Länge der Verdichterschaufeln bzw. ein Durchmesser des Rotors nicht vergrößert werden muss, um die beschriebenen Effekte zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Profillinie eine Naben-Profillinie der Verdichterschaufel. Vorzugsweise erstreckt sich die Naben-Profillinie entlang einer Kante bzw. Randlinie zwischen der Verdichterschaufel und einer Rotornabe bzw. Laufradnabe des Rotors, also eine Profillinie, die in einer Nabenaußenfläche verläuft. Die Naben-Profillinie kann aber auch eine Kante bzw. Randlinie einer Skelettfläche der Verdichterschaufel sein. Dies wird im Folgenden noch erläutert. Mit anderen Worten verläuft die Naben-Profillinie entlang einer Befestigungs- bzw. Verbindungslinie zwischen Verdichterschaufel und Rotornabe. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass sich ein Wechsel des Krümmungswinkelverlaufs auf den erzielbaren Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis besonders vorteilhaft auswirkt, wenn der Wechsel entlang der Naben-Profillinie erfolgt. Zudem hat sich in computergestützten strukturdynamischen Simulationen gezeigt, dass sich ein Wechsel des Krümmungswinkelverlaufs auf die gewünschten strukturdynamischen Belastungen besonders vorteilhaft auswirkt, wenn der Wechsel entlang der Naben-Profillinie erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform verbindet mindestens eine weitere Profillinie der Verdichterschaufel einen Punkt des Anströmbereichs mit einem Punkt des Abströmbereichs, wobei ein Krümmungswinkelverlauf der mindestens einen weiteren Profillinie keinen Wechsel von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung aufweist. Vorzugsweise weist ein Krümmungswinkelverlauf der mindestens einen weiteren Profillinie auch keinen Wechsel von einer Rückwärtskrümmung zu einer Vorwärtskrümmung auf. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass sich eine Kombination des Krümmungswinkelverlaufs für die mindestens eine Profillinie mit dem hier beschriebenen Krümmungswinkelverlauf für die mindestens eine weitere Profillinie besonders vorteilhaft auf den erzielbaren Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine weitere Profillinie eine Spitzen-Profillinie der Verdichterschaufel. Vorzugsweise verläuft die Spitzen-Profillinie entlang einer Kante bzw. Randlinie, insbesondere der erläuterten Deckfläche, der Verdichterschaufel an ihrem freien Ende oder bildet diese aus. Ein freies Ende der Verdichterschaufel ist das Ende, dass dem Ende der Verdichterschaufel gegenüberliegt, welches beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Verdichterschaufel an der Nabe befestigt ist. Weiter kann die Spitzen-Profillinie der Verdichterschaufel zur Bemessung des Durchmessers eines Rotors (unter Einbeziehung der Ausmaße der Verdichterschaufeln) dienen. Insbesondere kann die Spitzenprofillinie oder ein Punkt auf dieser Linie beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Schaufel den maximalen Abstand von der Rotationsachse aufweisen. Mit anderen Worten kann eine Spitzen-Profillinie die Verdichterschaufel zur Innenseite des Gehäuses bzw. der Berandung des Verdichters hin begrenzen, während eine Naben-Profillinie die Verdichterschaufel zur Rotornabe des Rotors hin begrenzen kann. In computergestützten aero- und strukturdynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass eine Verhältnis zwischen dem gewünschten Wirkungsgrad bzw. Druckverhältnis auf der einen Seite und den gewünschten strukturdynamischen Belastungen auf der anderen Seite besonders vorteilhaft ist, wenn die weitere Profillinie eine Spitzen-Profillinie der Verdichterschaufel ist.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt der Wechsel von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung in einer Richtung vom Startpunkt zum Endpunkt in einem Wechselpunkt, wobei eine Distanz vom Startpunkt zum Wechselpunkt einen Wert aus einem Wertebereich von 50% (ausschließlich) bis 100% (ausschließlich) der Gesamtlänge der Profillinie aufweist, vorzugsweise in einem Wertebereich von 51% (einschließlich) bis 100% (ausschließlich) der Gesamtlänge liegt. Mit anderen Worten liegt der Wechselpunkt in einer Richtung vom Startpunkt zum Endpunkt in der zweiten Hälfte der Profillinie. Der Wert der Distanz entspricht vorzugweise einer Teillänge der Gesamtlänge der Profillinie. Bei einer Distanz von 0% der Gesamtlänge entspricht der Wechselpunkt dem Punkt des Anströmbereichs, in welchem die Profillinie beginnt (Startpunkt). Bei einer Distanz von 100% der Gesamtlänge entspricht der Wechselpunkt dem Punkt des Abströmbereichs, in welchem die Profillinie endet (Endpunkt). Die Gesamtlänge der Profillinie kann der Länge der kürzesten Strecke im Raum zwischen dem Startpunkt, in welchem die Profillinie beginnt, und dem Endpunkt, in welchem die Profillinie endet, entsprechen. Vorzugsweise entspricht die Gesamtlänge der mindestens einen Profillinie einer Bogenlänge einer Kurve im Raum zwischen Startpunkt und Endpunkt, wobei die Kurve die mindestens eine Profillinie beschreibt. Weiter alternativ kann die Gesamtlänge der Profillinie einer Länge einer Projektion der mindestens einen Profillinie in die Rotationsebene entsprechen. In diesem Fall wird auch der Wechselpunkt sowie der Wert der Distanz ebenfalls in die Rotationsebene projiziert bzw. in der Rotationsebene bestimmt. Der Wechselpunkt entspricht insbesondere einem Punkt der Profillinie, in welchem der Krümmungswinkel 90° entspricht. Mit anderen Worten kann durch die beanspruchte Distanz zwischen Startpunkt und Wechselpunkt sichergestellt werden, dass kein Wechsel von einer Vorwärts- zu einer Rückwärtskrümmung (insbesondere in axialer Richtung) vor dem beschriebenen Wertebereich der Gesamtlänge der Profillinie stattfindet. Vorzugsweise weist die Distanz zwischen Startpunkt und Wechselpunkt einen Wert aus einem Wertebereich von 85% (einschließlich) bis 95% (einschließlich) der Gesamtlänge der mindestens einen Profillinie auf. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass sich die beschriebene Festlegung des Wechselpunkts in der beschriebenen zweiten Hälfte der Profillinie besonders vorteilhaft auf den erzielbaren Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Abströmbereich als eine Fläche ausgebildet ist oder umfasst eine Fläche, wobei die Fläche mindestens eine erste Randlinie bzw. Kante aufweist bzw. durch eine Randlinie begrenzt ist, wobei die mindestens eine erste Randlinie konkav ausgebildet ist. Die Fläche des Abströmbereichs ist vorzugsweise senkrecht zu der Abströmrichtung orientiert. Die Fläche des Abströmbereich ist Teil der Gesamtoberfläche der Verdichterschaufel. Konkav ausgebildet bezeichnet im Sinne dieser Offenbarung insbesondere, dass die erste Randlinie zu einem Flächenmittelpunkt der Fläche hin gewölbt ist. Weiter vorzugsweise ist die Fläche durch vier über Eckpunkte verbundene Randlinien begrenzt. Die erste Randlinie kann auch als eine Kante zu einer weiteren Fläche der Verdichterschaufel ausgebildet sein. Die weitere Fläche der Verdichterschaufel kann insbesondere eine Saugseite bzw. -oberfläche oder Druckseite bzw. -oberfläche der Verdichterschaufel sein. Alternativ oder kumulativ ist auch denkbar, dass die erste Randlinie einen Endpunkt einer Naben-Profillinie mit einem Endpunkt einer Spitzen-Profillinie verbindet. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass der erzielbare Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis möglichst groß sind, wenn die mindestens eine erste Randlinie konkav ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Fläche mindestens eine weitere Randlinie bzw. Kante auf bzw. wird durch eine weitere Randlinie begrenzt, wobei die mindestens eine weitere Randlinie der Fläche konkav ausgebildet ist, wobei die weitere Randlinie der ersten Randlinie gegenüberliegt. Die zuvor für die erste Randlinie genannten Eigenschaften können auch auf die weitere Randlinie zutreffen. Die beiden Randlinien liegen sich insbesondere gegenüber, wenn die Randlinien nicht unmittelbar über einen Eckpunkt der Fläche miteinander verbunden sind. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass der erzielbare Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis möglichst groß sind, wenn die mindestens eine erste und die mindestens eine weitere Randlinie konkav ausgebildet sind.
In einer weiteren Ausführungsform nimmt eine Dicke der Verdichterschaufel von einer Grundfläche der Verdichterschaufel ausgehend erst ab und nimmt zu einer Deckfläche oder freien Kante der Verdichterschaufel hin wieder zu. Die Dicke kann insbesondere in Bezug auf eine Skelettfläche der Verdichterschaufel bemessen sein. So kann die Verdichterschaufel eine Skelettfläche aufweisen, wobei die Skelettfläche sich vom Anströmbereich zum Abströmbereich erstreckt. Die Skelettfläche kann hierbei eine zur Konstruktion der Verdichterschaufel genutzte Konstruktionsfläche sein, die - bezogen auf die Dicke der Verdichterschaufel - im Median einer Dickenverteilung, also mittig, zwischen der Saug- und der Druckoberfläche angeordnet ist. Eine Naben-Profillinie kann hierbei eine erste Randlinie der Skelettfläche sein und eine Spitzen-Profillinie eine weitere Randlinie der Skelettfläche, wobei die erste Randlinie der weiteren Randlinie gegenüberliegt. Ist der Anströmbereich als Anströmkante ausgebildet, so kann die Anströmkante eine weitere Randlinie der Skelettfläche sein. Ist der Abströmbereich als Abströmkante ausgebildet, so kann die Abströmkante eine weitere Randlinie der Skelettfläche sein. Die Skelettfläche entspricht einer Fläche, die insbesondere einen gekrümmten bzw. gewölbten Verlauf aufweisen kann. Vorzugsweise ist die Skelettfläche normal bzw. orthogonal zu einer Grundfläche der Verdichterschaufel orientiert. Die Dicke der Verdichterschaufel kann normal zur Skelettfläche zwischen einem Punkt der Skelettfläche und einem Punkt der Saugoberfläche oder Druckoberfläche oder als Distanz zwischen einem Punkt der Saugoberfläche und einem Punkt der Druckoberfläche entlang einer Normalen der Skelettfläche bemessen werden. Insbesondere ergibt sich hierdurch eine Dickenverteilung, wobei ein minimaler Wert der Dicke der Verdichterschaufel in einem Bereich liegt, der zwischen Bereichen größerer Dicken hin zur Naben-Profillinie bzw. Grundfläche als auch hin zur Spitzen-Profillinie bzw. Deckfläche oder freien Kante eingeschlossen ist. Mit anderen Worten wird in einem Querschnitt der Verdichterschaufel, der senkrecht zur Skelettfläche orientiert ist, ersichtlich, dass die Saug- und/oder Druckoberfläche der Verdichterschaufel einen nach innen, also zur Skelettfläche hin, gewölbten Bereich aufweist. In computergestützten aerodynamischen Simulationen hat sich gezeigt, dass der erzielbare Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis möglichst groß sind, wenn die Dicke der Verdichterschaufel wie beschrieben ausgebildet ist.
Vorgeschlagen wird weiter ein Rotor mit einer Vielzahl von Verdichterschaufeln, wobei der Rotor mindestens eine erfindungsgemäße Verdichterschaufel nach einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Vorzugsweise sind alle Verdichterschaufeln gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen, weiter insbesondere gleichartig, ausgebildet. Die Vielzahl von Verdichterschaufeln kann auf einer Rotornabe befestigt sein, beispielsweise durch eine stoff- oder formschlüssige Verbindung. Insbesondere durch Schweißen können die Verdichterschaufeln an der Rotornabe, insbesondere an einer Oberfläche der Rotornabe, befestigt sein. Alternativ kann der Rotor, insbesondere mit Verdicherschaufeln, aus einem Materialblock gefräst sein oder durch 3D-Druckverfahren additiv gefertigt werden. Die Rotornabe bzw. Oberfläche der Rotornabe kann im Wesentlichen eine Kegelform aufweisen, wobei die Oberfläche, insbesondere die Mantelfläche der Kegelform, zur Rotationsachse hin gewölbt sein kann. Die Rotationsachse des Rotors ist hierbei vorzugsweise parallel zum Lot der Kegelform orientiert. In Simulationen hat sich gezeigt, dass der erzielbare Wirkungsgrad sowie das erzeugbare Druckverhältnis des Rotors möglichst groß sind, wenn der Rotor mindestens neun Verdichterschaufeln und höchstens 21 Verdichterschaufeln aufweist. Vorzugsweise sind die Verdichterschaufeln gleichmäßig, insbesondere äquiangular, entlang eines Umfangs des Rotors bzw. entlang der Rotornabe angeordnet. Durch Anordnung mindestens einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel nach einer der in der dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform können die zuvor genannten Vorteile ebenfalls auf den Rotor zutreffen. Vorzugsweise sind alle an dem Verdichter angeordneten als erfindungsgemäße Verdichterschaufeln ausgebildet.
Weiter vorgeschlagen wird ein System zum Verdichten eines strömenden Mediums, umfassend einen Rotor mit einer Vielzahl von Verdichterschaufeln, wobei der Rotor mindestens eine erfindungsgemäße Verdichterschaufel aufweist. Vorzugsweise ist das System Teil einer Hochtemperatur-Wärmepumpe oder bildet eine Hochtemperatur-Wärmepumpe aus. Beispielsweise kann das System als ein Verdichter, insbesondere Radialverdichter, ausgebildet sein. Das System kann auch Mediumführungselemente umfassen, z.B. Leitungen für das Medium. Insbesondere kann das System eine Berandung aufweisen, wie beispielsweise die Innenseite eines Gehäuses des Verdichters, wobei das berandete Volumen einen Strömungskanal für das strömende Medium bilden kann. Der Rotor bzw. die Verdichterschaufel kann hierbei selbstverständlich im Strömungskanal angeordnet sein. Selbstverständlich kann das System auch weitere Elemente im Strömungskanal aufweisen, z.B. einen Stator oder Diffusor. Durch Anordnung mindestens einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel nach einer der in der dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsform können die zuvor genannten Vorteile ebenfalls auf das System zutreffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems ist das strömende Medium überhitzter Wasserdampf. Hierdurch ergibt sich zusätzlich zu dem bereits zu Wasser bzw. Wasserdampf als Medium Offenbarten, dass der überhitzte Wasserdampf, insbesondere vor dem Verdichten mittels der Verdichterschaufel, eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur aufweisen kann. In diesem Fall wird die mittels der Verdichterschaufel auf das Medium übertragene Energie nicht für das Sieden des Mediums aufgewendet, sondern kann im Wesentlichen für eine Erhöhung der Temperatur bzw. des Druckverhältnisses aufgewendet werden. Weiter kann der überhitzte Wasserdampf gasförmig sein und keine Tröpfchen oder andere flüssige Partikel enthalten, so dass die Verdichterschaufeln vor sogenannten Flüssigkeitsschlägen geschützt sind. Die genannten Effekte durch die Verwendung von überhitztem Wasserdampf als Medium wirken sich vorteilhaft auf den gewünschten Wirkungsgrad und das gewünschte Druckverhältnis sowie die gewünschten strukturmechanischen Belastungen der Verdichterschaufel aus.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Verdichterschaufeln,
2-A eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer Spitzen-Profillinie,
2-B eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer Naben-Profillinie,
3 eine perspektivische Ansicht auf eine Skelettfläche einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel,
4 eine schematische Seitenansicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel,
5 ein schematischer Krümmungswinkelverlauf für eine Naben-Profillinie und eine Spitzen-Profillinie,
6 eine schematische Darstellung eines Abströmbereichs einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel, und
7 eine perspektivische Ansicht einer Skelettfläche einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel mit Dickenverteilung.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 2 mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Verdichterschaufeln 1 (insgesamt 21 Verdichterschaufeln 1). Die Verdichterschaufeln 1 sind vorzugsweise an einer Rotornabe des Rotors 2 befestigt. So kann der Rotor 2, also die Rotornabe und die Verdicherschaufeln 1 aus einem Materialblock gefräst oder alternativ durch ein additives Verfahren gedruckt werden.. Die Rotornabe ist durch schwarze Ellipsen dargestellt, wobei zwischen den Ellipsen eine Oberfläche der Rotornabe verläuft bzw. die Ellipsen Oberflächenlinien der Rotornabe um die Rotationsachse herum darstellen. Jede Verdichterschaufel 1 weist mindestens eine Naben-Profillinie 7 und eine Spitzen-Profillinie 8 auf. Dies ist der Übersichtlichkeit wegen nur für eine Verdichterschaufel 1 dargestellt.
Weiter ist eine Anströmrichtung 3 des strömenden Mediums durch einen Pfeil gekennzeichnet. Das strömende Medium ist vorzugsweise überhitzter Wasserdampf (nicht dargestellt). Die Anströmrichtung 3 ist parallel zu einer Längsachse X orientiert. Eine Rotationsachse 5 des Rotors 2 ist ebenfalls parallel zur der Längsachse X eines Referenzkoordinatensystems orientiert. Die Längsachse X ist Teil des dargestellten ortsfesten, linkhändigen, kartesischen Referenzkoordinatensystems, wobei eine Querachse Y und eine Hochachse Z senkrecht zu der Längsachse X orientiert sind. Eine Rotationsebene des Rotors 2 entspricht einer Ebene, die senkrecht zu der Längsachse X angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Rotationsebene des Rotors 2 parallel zu einer Y-Z Ebene orientiert. Eine Radialachse des Rotors 2 ist hierbei senkrecht zur Längsachse X orientiert (nicht dargestellt). Entlang der Anströmrichtung 3 betrachtet, verläuft eine Rotationsrichtung 6 bzw. Umlaufrichtung des Rotors 2 sowie der Verdichterschaufeln 1 gegen den Uhrzeigersinn um die Rotationsachse 5.
Der Rotor 2 kann in einem Gehäuse angeordnet und an einem Ende einer Welle befestigt sein. Der Rotor 2 wird beispielsweise über die Welle mit einem elektrischen Motor verbunden sein, wobei der Motor den Rotor 2 antreibt (nicht dargestellt). Durch Rotation des Rotors 2 wird das Medium in der Anströmrichtung 3 angesaugt und entlang der Oberfläche des Rotors 2, insbesondere entlang der Profillinien 7, 8 in eine Abströmrichtung 4 umgelenkt. Die Abströmrichtung 4 ist in 1 senkrecht zu der Anströmrichtung 3 orientiert. Dies ist beispielhaft durch zwei Pfeile dargestellt. Die Abströmrichtung 4 kann prinzipiell parallel zu einer Radialachse R des Rotors 2 orientiert sein. Vorzugsweise kann das strömende Medium entlang des gesamten Umfangs in radialer Richtung R des Rotors 2 abströmen (siehe 4 und 6).
In 2-A und 2-B werden die prinzipiellen Unterschiede zwischen einer Vorwärtskrümmung und einer Rückwärtskrümmung am Beispiel eines Endpunktes 35, 37 einer Profillinie 7, 8 gezeigt. Die Rotationsebene ist sowohl in 2-A als auch in 2-B parallel zu einer Y-Z Ebene orientiert. Eine Rotationsrichtung 6 der Verdichterschaufel 1 ist gegen den Uhrzeigersinn orientiert, bezogen auf die Längsachse X und deren Orientierung also in mathematisch positiver Drehrichtung. 2-A zeigt die Umrandung der Projektion von mehreren Deckflächen 34 der Verdichterschaufeln 1 in eine Rotationsebene eines Rotors 2 (durch schwarze Linien dargestellt). Dabei ist eine Spitzen-Profillinie 8 z.B. eine Kante zwischen einer Deckfläche 34 und einer Saug- bzw. Druckoberfläche der Verdichterschaufel 1 (nicht mit einem Bezugszeichen bezeichnet). 2-B zeigt die Projektion von mehreren Grundflächen 36 der Verdichterschaufeln 1 in eine Rotationsebene des Rotors 2 (durch schwarze Linien dargestellt). Dabei ist eine Naben-Profillinie 7 eine Kante zwischen der Grundfläche 36 und einer Saug- bzw. Druckoberfläche (nicht mit einem Bezugszeichen bezeichnet).
Wie bereits erwähnt, zeigt 2-A eine Projektion einer Deckfläche 34 der Verdichterschaufel 1 in die Rotationsebene (Y-Z-Ebene). Somit ist auch eine Projektion der Spitzen-Profillinie 8 in eine Rotationsebene der Verdichterschaufel 1 bzw. eines Rotors 2 gezeigt. Die Spitzen-Profillinie 8 beginnt an einem Startpunkt 38 und endet an einem Endpunkt 35. Der Endpunkt 35 der Spitzen-Profillinie 8 bewegt sich auf einer Kreisbahn 9 um die Rotationsachse 5 (siehe 1). Der Kreisbahn 9 kann in diesem Endpunkt 35 eine Tangente 10 zugeordnet werden. Weiter kann der Spitzen-Profillinie 8 in diesem Endpunkt 35 eine Tangente 11 zugeordnet werden. Die Tangente 11 der Kreisbahn 9 schneidet die Tangente 11 der Spitzen-Profillinie 8 in diesem Endpunkt 35 unter dem Winkel β (beta). Der Winkel β wird in Rotationsrichtung 6 ausgehend von der Tangente 10 der Kreisbahn 9 hin zur Tangente 11 im Endpunkt 35 der Spitzen-Profillinie 8 bemessen. Der Winkel β entspricht insbesondere dem Krümmungswinkel β der Spitzen-Profillinie 8 in dem beschriebenen Endpunkt 35. In 2-A ist der gezeigte Krümmungswinkel β der Spitzen-Profillinie 8 in diesem Endpunkt 35 kleiner als 90°. Somit weist die gezeigte Spitzen-Profillinie 8 in diesem Endpunkt 35 eine Vorwärtskrümmung auf. Es ist zu erwähnen, dass der gesamte Krümmungswinkelverlauf 31 vom Startpunkt 38 der Spitzen-Profillinie 8 bis zum Endpunkt 35 in 5 schematisch dargestellt ist und derart ausgebildet ist, dass entlang der Spitzen-Profillinie 8 kein Wechsel 14 von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung erfolgt (siehe 5).
2-B zeigt hingegen eine Projektion einer Grundfläche 36 der Verdichterschaufel 1 in die Rotationsebene (Y-Z-Ebene). Somit ist auch eine Projektion der Naben-Profillinie 7 in eine Rotationsebene der Verdichterschaufel 1 bzw. eines Rotors 2 gezeigt. Die Naben-Profillinie 7 beginnt an einem Startpunkt 39 und endet an einem Endpunkt 37. Der Endpunkt 37 der Naben-Profillinie 7 bewegt sich auf einer Kreisbahn 9 um die Rotationsachse 5 (siehe 1). Der Kreisbahn 9 kann in diesem Endpunkt 37 eine Tangente 10 zugeordnet werden. Weiter kann der Naben-Profillinie 7 in diesem Endpunkt 37 eine Tangente 11 zugeordnet werden. Die Tangente 11 der Kreisbahn 9 schneidet die Tangente 11 der Naben-Profillinie 7 in diesem Endpunkt 37 unter dem Winkel β. Der Winkel β wird in Rotationsrichtung 6 ausgehend von der Tangente 10 der Kreisbahn 9 hin zur Tangente 11 im Endpunkt 37 der Naben-Profillinie 7 bemessen. Der Winkel β entspricht insbesondere dem Krümmungswinkel β der Naben-Profillinie 7 in dem beschriebenen Endpunkt 37. In 2-B ist der gezeigte Krümmungswinkel β der Naben-Profillinie 7 in diesem Endpunkt 37 größer als 90°. Somit weist die gezeigte Naben-Profillinie 7 in diesem Endpunkt 37 eine Rückwärtskrümmung auf. Es ist zu erwähnen, dass der gesamte Krümmungswinkelverlauf 30 der Naben-Profillinie 7 in 5 schematisch dargestellt ist und derart ausgebildet ist, dass entlang der Naben-Profillinie 7 ein Wechsel 14 von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung erfolgt (siehe 5).
3 zeigt eine perspektivische Ansicht auf eine Skelettfläche 33 einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1. Die Skelettfläche 33 verbindet einen als Anströmkante ausgebildeten Anströmbereich 12 mit einem als Abströmkante ausgebildeten Abströmbereich 13 der Verdichterschaufel 1. Im Anströmbereich 12 ist weiter ein wellenförmiges Profil der Anströmkante erkennbar. Die Skelettfläche 33 wird zur Rotornabe (nicht dargestellt) hin durch eine Naben-Profillinie 7 der Verdichterschaufel 1 begrenzt. Weiter wird die Skelettfläche 33 nach in radialer Richtung durch eine Spitzen-Profillinie 8 begrenzt. Die Skelettfläche 33 entspricht insbesondere einer mittig zwischen Saugoberfläche 17 und Druckoberfläche angeordneten (internen) Skelettfläche 33 der Verdichterschaufel 1. Hierbei können jedoch die Kanten der Skelettfläche 33 Teil der Gesamtoberfläche der Verdichterschaufel 1 sein.
In 4 ist eine schematische Seitenansicht, insbesondere eine Meridionalansicht, auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 2 mit einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1 gezeigt. Mit anderen Worten ist ein Längsschnitt durch einen Verdichter bzw. ein erfindungsgemäßes System gezeigt. Eine Innenseite eines Gehäuses des Verdichters stellt eine Berandung 20 für das strömende Medium dar. Die Berandung 20 begrenzt also einen Strömungskanal des strömenden Mediums bzw. des Verdichters. Durch eine Rotation des Rotors 2 um die Rotationsachse 5 wird das Medium in einer Anströmrichtung 3 zum Anströmbereich 12 bewegt und dann entlang der Verdichterschaufel 1 in eine radiale Richtung R umgelenkt. Das Medium wird durch das Umlenken entlang der Verdichterschaufel 1 beschleunigt und komprimiert. Das verdichtete Medium strömt dann von einem Abströmbereich 13 in einer Abströmrichtung 4 von dem Rotor 2 weg. Die Abströmrichtung 4 ist parallel zu einer Radialachse R orientiert. Durch einen charakteristischen Krümmungswinkelverlauf 30, 31 der Profillinien 7, 8 (siehe 5) wird ein gewünschter Wirkungsgrad sowie ein gewünschtes Druckverhältnis erreicht.
5 zeigt einen schematischen Krümmungswinkelverlauf 30 für eine Naben-Profillinie 7 und einen schematischen Krümmungswinkelverlauf 31 für eine Spitzen-Profillinie 8 über einer Gesamtlänge der Profillinien 7, 8. Die Gesamtlänge L der Profillinien 7, 8 ist jeweils auf sich selbst normiert, sodass der Wertebereich der Gesamtlänge L (sowie einer Distanz zwischen Startpunkt 39 und Wechselpunkt 32) jeweils Werte zwischen 0% und 100% (bzw. 0 und 1) der Gesamtlänge L der jeweiligen Profillinie 7, 8 umfasst. Ein Krümmungswinkel β ist jeweils verschiedenen Punkten der Profillinien 7, 8 zugeordnet.
Der Krümmungswinkelverlauf 30 der Naben-Profillinie 7 beginnt bei L=0 an dem zugehörigen Startpunkt 39 im Anströmbereich 12 (siehe 2-B) mit 80° und fällt dann stetig ab bis zu einem Wert von 51 ° in einem Steigungswechselpunkt, der vom Startpunkt aus bemessen mit einer Distanz von 52% der Gesamtlänge L von diesem beabstandet ist. Ausgehend von diesem Minimum des Krümmungswinkelverlaufs 30 steigt der Krümmungswinkel β dann stetig an, bis dann im Endpunkt 37, der vom Startpunkt 39 aus bemessen mit einer Distanz von 100% der Gesamtlänge L von diesem beabstandet ist, der Naben-Profillinie 7 im Abströmbereich 13 der Verdichterschaufel 1 ein Krümmungswinkel β von 101° erreicht ist. Mit anderen Worten weist der Krümmungswinkelverlauf 30 der Naben-Profillinie 7 in einem Wechselpunkt 32, der vom Startpunkt 39 aus bemessen mit einer Distanz von 95% der Gesamtlänge L von diesem beabstandet ist, einen Wechsel 14 von einer Vorwärtskrümmung (β kleiner 90°) zu einer Rückwärtskrümmung (β größer 90°) auf. Durch diesen Wechsel 14 in der Naben-Profillinie 7 kann mittels der erfindungsgemäßen Vertdichterschaufel 1 ein gewünschter Wirkungsgrad und ein gewünschtes Druckverhältnis erreicht werden. Zudem kann der Krümmungswinkelverlauf 30 der Naben-Profillinie 7 mindestens ein Minimum aufweisen.
Der Krümmungswinkelverlauf 31 der Spitzen-Profillinie 8 beginnt an dem zugehörigen Startpunkt 38 im Anströmbereich 12 (siehe 2-A) mit 60° und nimmt dann stetig bis zu einem Wert von 66° in einem Steigungswechselpunkt, der vom Startpunkt 38 aus bemessen mit einer Distanz von 20% der Gesamtlänge L von diesem beabstandet ist, zu. Ausgehend von diesem lokalen Maximum des Krümmungswinkelverlaufs 31 nimmt der Krümmungswinkel β dann stetig ab, bis in einem weiteren Steigungswechselpunkt, der vom Startpunkt 38 aus bemessen mit einer Distanz von 37% der Gesamtlänge L von diesem beabstandet ist, ein lokales Minimum mit einem Krümmungswinkel β von 63° erreicht ist. Ausgehend von diesem lokalen Minimum des Krümmungswinkelverlaufs 31 steigt der Krümmungswinkel β dann stetig an, bis im Endpunkt 35 der Spitzen-Profillinie 8 im Abströmbereich 13 der Verdichterschaufel 1 ein Krümmungswinkel β von 87° erreicht ist. Mit anderen Worten weist der Krümmungswinkelverlauf 31 der Spitzen-Profillinie 8 gerade keinen Wechsel 14 von einer Vorwärtskrümmung (β kleiner 90°) zu einer Rückwärtskrümmung (β größer 90°) auf, sondern weist über die gesamte Gesamtlänge L der Spitzen-Profillinie 8 eine Vorwärtskrümmung auf. Zudem kann der Krümmungswinkelverlauf 31 der Spitzen-Profillinie 8 mindestens ein lokales Maximum und/oder mindestens ein lokales Minimum aufweisen. Durch diesen Krümmungswinkelverlauf 31 der Spitzen-Profillinie 8 kann mittels der erfindungsgemäßen Vertdichterschaufel 1 ein besonders gewünschter Wirkungsgrad und ein besonders gewünschtes Druckverhältnis erreicht werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Abströmbereichs 13 einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1. Der Abströmbereich 13 ist als Fläche ausgebildet. Der Abströmbereich 13 weist eine erste Randlinie 15 auf, wobei die erste Randlinie gleichzeitig eine Kante einer Saugoberfläche 17 der Verdichterschaufel 1 ist, also eine Kante zwischen der Saugoberfläche 17 und dem Abströmbereich 13 bildet. Die erste Randlinie 15 ist insbesondere konkav ausgebildet, weist also einen konkaven Verlauf auf. Mit anderen Worten die erste Randlinie 15 zu einem, insbesondere geometrischen, Mittelpunkt des als Fläche ausgebildeten Abströmbereichs 13 hin gekrümmt. Wie bereits erwähnt, hat sich in computergestützten Simulationen gezeigt, dass sich bei Ausbilden des Abströmbereichs 13 als Fläche mit einer konkaven Randlinie 15 ein besonders gewünschter Wirkungsgrad und ein besonders gewünschtes Druckverhältnis mittels der Verdichterschaufel 1 erreichen lässt.
Der Abströmbereich 13 ist weiter durch eine Kante zwischen einer Deckfläche 34 der Verdichterschaufel 1 und dem Abströmbereich 13 und eine Kante zwischen einer Grundfläche 36 der Verdichterschaufel 1 und dem Abströmbereich 13 begrenzt (in 6 nicht durch Bezugszeichen gekennzeichnet). Eine weitere Randlinie 16 des Abströmbereich 13 ist eine Kante zwischen einer Druckoberfläche der Verdichterschaufel 1 und dem Abströmbereich 13. Die weitere Randlinie 15 liegt der ersten Randlinie 15 gegenüber. Besonders bevorzugt ist auch die weitere Randlinie 16 konkav ausgebildet.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Skelettfläche 33 einer Verdichterschaufel 1 mit einer erfindungsgemäßen Dickenverteilung. Die Skelettfläche 33 verbindet einen Anströmbereich 12 mit einem Abströmbereich 13. Zudem ist die Skelettfläche 33 durch eine Naben-Profillinie 7 und eine Spitzen-Profillinie 8 begrenzt.
Für ein besseres Verständnis von 7 ist zu erwähnen, dass die Dicke nicht als tatsächliche physische Dimension dargestellt ist, sondern es sind vielmehr schwarze Kontourflächen dargestellt, die Bereichen gleicher Dicke der Verdichterschaufel 1 entsprechen. Eine Dicke kann hierbei insbesondere Werte aus einem Wertebereich zwischen 1,5 mm und 3,5 mm annehmen. Ein Wert der Dicke kann sich insbesondere auf einen Abstand zwischen einem Punkt der Skelettfläche 33 und einem Punkt einer Saugoberfläche 17 entlang einer Normalen der Skelettfläche 33 beziehen. Ein Wert der Dicke zwischen einem Punkt der Skelettfläche 33 und einem Punkt einer Druckoberfläche 17 ist nicht dargestellt, kann sich aber äquivalent zu den Werten aus 7 ergeben und insbesondere den in 7 angegeben bzw. dargestellten Werten der Dicke entsprechen.
Weiter ist in 7 erkennbar, dass entlang der Naben-Profillinie 7 die Dicke der Verdichterschaufel 1 Werte zwischen 1,5 mm und 3,5 mm annimmt. Entlang der Spitzen-Profillinie 8 nimmt die Dicke der Verdichterschaufel 1 Werte zwischen 1,5 mm und 3,5 mm an. Ausgehend von der Naben-Profillinie 7 nimmt die Dicke dann in Richtung der Spitzen-Profillinie 8 erst ab und dann wieder zu. Mit anderen Worten wäre in einem Querschnitt durch die Skelettfläche 33, der senkrecht zu einer Längsachse X orientiert ist, erkennbar, dass ein Profil der Saugoberfläche 17 der Verdichterschaufel 1 zumindest in dem beschriebenen Querschnitt konkav ausgebildet ist. Wie bereits erwähnt, hat sich in computergestützten Simulationen gezeigt, dass sich bei Ausbilden Dicke der Verdichterschaufel 1 gemäß der in 7 gezeigten Ausführungsform ein besonders gewünschter Wirkungsgrad und ein besonders gewünschtes Druckverhältnis mittels der Verdichterschaufel 1 erreichen lässt.
Bezugszeichenliste

1: Verdichterschaufel
2: Rotor
3: Anströmrichtung
4: Abströmrichtung
5: Rotationsachse
6: Rotationsrichtung
7: Naben-Profillinie
8: Spitzen-Profillinie
9: Kreisbahn
10: Kreisbahntangente
11: Profillinientangente
12: Anströmbereich
13: Abströmbereich
14: Wechsel
15: konkave erste Randlinie
16: weitere Randlinie
17: Saugoberfläche
20: Berandung der Strömung
30: Krümmungswinkelverlauf einer Profillinie
31: Krümmungswinkelverlauf einer weiteren Profillinie
32: Punkt
33: Skelettfläche
34: Deckfläche der Verdichterschaufel
35: Endpunkt der Sitzen-Profillinie
36: Grundfläche der Verdichterschaufel
37: Endpunkt der Naben-Profillinie
L: Länge einer Profillinie
R: Radialachse
X: Längsachse
Y: Querachse
Z: Hochachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20040005220 A1 [0007]
EP 1948939 A1 [0008]

Claims

Verdichterschaufel (1) zur Umlenkung eines strömenden Mediums in einem Verdichter, insbesondere Radialverdichter, wobei die Verdichterschaufel (1) einen Anströmbereich (12) und einen Abströmbereich (13) aufweist, wobei mindestens eine Profillinie (7, 8) der Verdichterschaufel (1) einen Punkt des Anströmbereichs (12) mit einem Punkt des Abströmbereichs (13) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krümmungswinkelverlauf (30) der mindestens einen Profillinie (7, 8) einen Wechsel (14) von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung aufweist.
Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Profillinie (7) eine Naben-Profillinie (7) der Verdichterschaufel (1) ist.
Verdichterschaufel (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Profillinie (8, 7) der Verdichterschaufel (1) einen Punkt des Anströmbereichs (12) mit einem Punkt des Abströmbereichs (13) verbindet, wobei ein Krümmungswinkelverlauf (31) der mindestens einen weiteren Profillinie (8, 7) keinen Wechsel (14) von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung aufweist.
Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Profillinie (8) eine Spitzen-Profillinie (8) der Verdichterschaufel (1) ist.
Verdichterschaufel (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel (14) von einer Vorwärtskrümmung zu einer Rückwärtskrümmung in einer Richtung vom Startpunkt (39) zum Endpunkt (37) in einem Wechselpunkt (32) erfolgt, wobei eine Distanz vom Startpunkt (38) zum Wechselpunkt (32) einen Wert aus einem Wertebereich von 50% (ausschließlich) bis 100% (ausschließlich) der Gesamtlänge (L) der Profillinie (7, 8) aufweist, vorzugsweise in einem Wertebereich von 51% (einschließlich) bis 100% (ausschließlich) der Gesamtlänge (L) liegt.
Verdichterschaufel (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmbereich (13) als eine Fläche ausgebildet ist oder eine Fläche umfasst, wobei die Fläche mindestens eine erste Randlinie (15) aufweist, wobei die mindestens eine erste Randlinie (15) konkav ausgebildet ist.
Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche mindestens eine weitere Randlinie (16) aufweist, wobei die mindestens eine weitere Randlinie (16) der Fläche konkav ausgebildet ist, wobei die weitere Randlinie (16) der ersten Randlinie (15) gegenüberliegt.
Verdichterschaufel (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke der Verdichterschaufel (1) von einer Grundfläche (36) der Verdichterschaufel (1) ausgehend erst abnimmt und zu einer Deckfläche (34) oder freien Kante der Verdichterschaufel (1) hin wieder zunimmt.
Rotor (2) mit einer Vielzahl von Verdichterschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) mindestens eine Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
System zum Verdichten eines strömenden Mediums, umfassend einen Rotor (2) mit einer Vielzahl von Verdichterschaufeln (1), wobei der Rotor (2) mindestens eine Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.