DE19502808C2 - Radialströmungsmaschine - Google Patents
RadialströmungsmaschineInfo
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- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
- F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
- F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/444—Bladed diffusers
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Description
Die Erfindung betrifft eine Radialströmungsmaschine,
insbesondere einen Radialverdichter.
Bei bekannten Anordnungen sind die
Leitschaufeln über der ganzen Kanalbreite senkrecht zu
den seitlichen Kanalwänden angeordnet. Bei Verdichtern
sind die Leitschaufeln über ihrer Länge gekrümmt. An der
Eintrittskante ergibt sich dabei über der ganzen
Kanalbreite dieselbe Neigung des Schaufelprofils
gegenüber einer Tangente an den Eintrittskreis des
Leitrads. Über der Kanalbreite ergeben sich jedoch
unterschiedliche Anströmrichtungen. Dies ist eine Folge
der im Umlenkbereich des Strömungskanals wirksamen
Zentrifugalkräfte, die dazu führen, daß die Strömung an
der nabenseitigen Kanalwand stärker anliegt, als an der
gegenüberliegenden Gehäusewand, was eine unterschiedliche
räumliche Strömungsverteilung und dementsprechend auf der
Nabenseite einen steileren Anströmwinkel ergibt als auf der gegenüberliegenden
Seite. Bei den bekannten Radialverdichtern mit senkrecht zu den
Kanalseitenwänden angeordneten Leitschaufeln ergibt sich somit zwangsläufig eine
weitgehende Richtungsabweichung zwischen der Anströmrichtung und der Neigung
der Leitschaufelebene. Es besteht daher die Gefahr, daß sich die Strömung ablöst.
Die Folge davon sind Strömungsverluste und eine hohe Lärmentwicklung.
Der Bericht Nr. 86/5 des Laboratoriums für Strömungsmaschinen der Universität der
Bundeswehr in Hamburg zeigt mit Bild 12 Schaufelprofile, die verwunden sind und
geneigte Vorderkanten aufweisen. Dabei handelt es sich jedoch um Schaufeln von
Verdichterleiträdern, die axial angeströmt werden.
Die DE-PS 9 16 604 befaßt sich mit einem Leitschaufelkranz, dessen Schaufeln nach
innen zu in verschieden großen Abständen vom Mittelpunkt enden, damit die sich
während des Betriebes sehr unangenehm auswirkenden Biegeschwingungen der
Laufradschaufeln beseitigt werden.
Um eine konstruktive Anpassung des Eintrittsbereiches eines beschaufelten
Diffusors eines Radialverdichters an die zeitlich gemittelte dreidimensionale
Anströmung durchzuführen, um Strömungsverluste aufgrund instationärer
Anströmung zu verhindern, wird in der Dissertation von Michael Hansen von 1982
bereits vorgeschlagen, einen Diffusor mit verwundenen Schaufeln auszulegen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Radialströmungsmaschine
eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit welcher die Strömungsverluste und die
Lärmentwicklung gegenüber den bisherigen Anordnungen zumindest stark
reduzierbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst.
Diese Maßnahmen bieten in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, hinsichtlich der
Neigung des anströmseitigen Bereichs der Leitschaufeln der örtlichen
Strömungsverteilung dadurch Rechnung zu tragen, daß die Neigung der
Leitschaufeln der Anströmrichtung angenähert oder ganz angeglichen wird.
Hierdurch läßt sich daher über der ganzen Kanalbreite eine zumindest weitgehend
tangentiale Anströmung erreichen. Damit lassen sich die Stoßverluste und eine
Ablösung der Strömung jedenfalls weitestgehend vermeiden, was geringe
Strömungsverluste sowie eine geringe Schwingungsanregung der Laufschaufeln des
Laufrads und damit einen geringen Strömungslärm gewährleistet.
In weiterer Fortbildung können die Leitschaufeln die Konfiguration eines
Schrägausschnittes aus einem Zylindermantel aufweisen. Dies ergibt in vorteilhafter
Weise eine abwickelbare Schaufelkonfiguration, so daß die Schaufeln in vorteilhafter
Weise als Blechformlinge hergestellt werden können.
Eine vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß die Leitschaufeln im Bereich ihrer
Ein- und Austrittskanten phasenförmig angeschärft sind. Hierdurch lassen sich in
vorteilhafter Weise sprunghafte Querschnittsveränderungen und die hiermit
verbundenen Nachteile vermeiden.
In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Ladepumpe eines Abgasturboladers,
Fig. 2 eine schematische Teilseitenansicht des
Leitrads der Anordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des
erfindungsgemäßen Leitrads,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer verwundenen
Leitschaufel und
Fig. 5 eine Ansicht des Leitschaufelprofils.
Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise eines
Abgasturboladers sind an sich bekannt und bedürfen daher
im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung
mehr. Die mit Hilfe der der Fig. 1 zugrundeliegenden
Ladepumpe gelieferte Ladeluft wird über einen zentralen
Ansaugstutzen 1 angesaugt, durch ein mittels einer hier
nicht näher dargestellten Abgasturbine antreibbares
Laufrad 2 beschleunigt und über ein mit einem nicht näher
dargestellten Abströmstutzen versehenes Spiralgehäuse 3
abgeführt. Das Laufrad 2 besitzt eine auf einer
antreibbaren Welle 4 aufgenommene Nabe 5, von der
umfangsseitig Schaufeln 6 abstehen. Der Durchmesser der
Nabe 5 und der Schaufeln 6 nimmt in Strömungsrichtung zu.
Die Außenkontur der Schaufeln 6 ist bogenförmig und
entspricht der Kontur der benachbarten, torusförmig nach
außen gekrümmten Kanalwand, die mit der Nabe 5 einen nach
außen umgelenkten Kanalabschnitt 7 begrenzt, in den die
Schaufeln 6 eingreifen.
An den nach radial außen umgelenkten Kanalabschnitt 7
schließt sich ein in den Spiralkanal 3 einmündender,
durch zwei parallele, radiale Seitenwände 8, 9
begrenzter, ringförmiger Kanalabschnitt 10 an. Dieser ist
mit einem einen Diffusor bildenden, stationären Leitrad
11 versehen, das durch in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzte, die Kanalbreite überbrückende Leitschaufeln 12
gebildet wird, die an den Seitenwänden 8, 9 befestigt
sind. Die Leitschaufeln 12 sind, wie am besten aus Fig.
2 erkennbar ist, in Strömungsrichtung gekrümmt und so
angeordnet, daß sich unter einem Öffnungswinkel von 8°-10°
nach außen sich öffnende Diffusorkanäle 13 ergeben.
Die im Bereich des Laufrads 2 erfolgende Umlenkung der
Strömung hat eine ungleiche Strömungsverteilung über der
Kanalbreite zur Folge. Die Strömung liegt hier infolge
der Zentrifugalkräfte mehr an der Nabe 5 und im Bereich
des Ringkanals 10 an der nabenseitigen Seitenwand 8 an,
als an der gegenüberliegenden, gehäuseseitigen Seitenwand
9. Dies bewirkt, daß am Eintritt in das Leitrad 11 die
Richtung der Strömung mit der tangentialen Richtung im
Bereich der nabenseitigen Seitenwand 8 einen größeren
Winkel einschließt, als im Bereich der gegenüberliegenden
Seitenwand 9. Die Eintrittskanten der Leitschaufeln 12
werden dementsprechend über der Kanalbreite unter einem
unterschiedlichen Winkel angeströmt, wie in Fig. 2 durch
Richtungspfeile angedeutet ist. Im Bereich der
nabenseitigen Seitenwand 8 folgt die Strömung dem
steileren Pfeil a, im Bereich der gegenüberliegenden,
gehäuseseitigen Seitenwand 9 dem flacheren Pfeil b.
Um dennoch bei den bei Abgasturboladern gegebenen, in der
Nähe der Schallgeschwindigkeit liegenden, hohen
Strömungsgeschwindigkeiten ein Ablösen der Strömung und
dementsprechend Strömungsverluste und Strömungslärm zu
vermeiden, sind die Leitschaufeln 12, wie in Fig. 3
angedeutet ist, nicht rechtwinklig zu den Seitenwänden
ausgerichtet, sondern besitzen gegenüber der in Fig. 3
durch unterbrochene Linien angedeuteten, rechtwinkligen
Anordnung eine Neigung, deren Tendenz im Bereich der
Anströmkante der Änderung der Anströmrichtung folgt. Im
dargestellten Beispiel soll sich die Neigung der
Leitschaufeln 12 im Bereich der Anströmkante entsprechend
der Änderung der Anströmrichtung über der Kanalbreite
ändern. Dies bedeutet, daß der anströmkantenseitige
Bereich der Leitschaufeln 12 im Bereich der nabenseitigen
Seitenwand 8 gegenüber einer Tangente an den
Eintrittskreis des Leitrads 11 einen größeren
Neigungswinkel aufweist, als auf der gegenüberliegenden
Seite. Hierdurch wird erreicht, daß die Leitschaufeln 12
über der ganzen Kanalbreite in etwa tangential angeströmt
werden.
Ideale Verhältnisse werden erreicht, wenn die
Leitschaufeln 12, wie in Fig. 4 angedeutet ist, über
ihrer Länge gemäß einer logarithmischen Spirale verwunden
sind. Im Bereich der Anströmkante und der Austrittskante
ergeben sich dabei bei entsprechender Schaufellänge
gegenläufige Verwindungen. Die Verwindung der
Leitschaufeln 12 gemäß einer logarithmischen Spirale
gewährleistet trotz des Öffnungswinkels eine
Potentialströmung. In einfachen Fällen kann es jedoch
genügen, wenn die Leitschaufeln 12 eine an die genannte
Spiralform lediglich angenäherte Konfiguration besitzen.
Hierzu können die Leitschaufeln 12 die Konfiguration
eines Schrägausschnitts aus einem Zylindermantel, d. h.
eines schräg zur Zylinderachse angeordneten
Mantelausschnitts, aufweisen. Eine derartige
Konfiguration ist abwickelbar und kann dementsprechend
als Blechformling hergestellt werden.
Es wäre aber auch denkbar, derartige Leitschaufeln 12
erfindungsgemäßer Art aus dem Vollen zu fräsen. Hierbei
kann ausgehend von der Herstellung der bisherigen
Leitschaufeln, die durch Fräsen mit einem zylindrischen
Fräser, dessen Achse senkrecht zu einer
Schaufelquerschnittsebene steht und dessen Fräserweg
zweidimensional ist, hergestellt werden, so vorgegangen
werden, daß ein Fräser mit einem zylindrischen Teil und
einer vorderen Halbkugel Verwendung findet, dessen Achse
gegenüber dem bisherigen Fräser in zwei Richtungen
gekippt ist. Der Fräserweg bleibt zweidimensional, so daß
jeder Höhenschnitt des Leitschaufelprofils kongruent ist.
Aufgrund der Fräserneigung ergeben sich dabei an- und
ausströmseitig nach Art der Seiten eines Parallelogramms
ausgebildete Überhänge, die anschließend mittels eines
nachfolgenden Fräsvorgangs abgefräst werden müssen.
In jedem Falle ergibt sich dabei ein der Fig. 5 zugrundeliegender, über der ganzen
Leitschaufellänge sehr dünner Querschnitt mit annähernd konstanter Dickem was sich
günstig auf die Erzielbarkeit einer homogenen Strömungsgeschwindigkeit über der
ganzen Kanalbreite auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten auswirkt. Zur
Vermeidung von stufenförmigen Querschnittsänderungen sind die Leitschaufeln 12,
wie Fig. 5 weiter erkennen läßt, anströmseitig und austrittsseitig schneidenartig
verjüngt. Hierzu ist im dargestellten Beispiel jeweils eine Phase 14 bzw. 15
angeformt. Der Phasenwinkel beträgt 10°-15°.
Claims (3)
1. Radialströmungsmaschine, insbesondere Radialverdichter mit einem im Bereich
eines antreibbaren, mit von einer zentralen Nabe (5) abstehenden Schaufel (6)
versehenen Laufrads (2) umgelenkten Strömungskanal, in welchem radial
außerhalb des Laufrads (2) ein stationäres Leitrad (11) angeordnet ist, dessen in
Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Leitschaufeln (12) die Kanalbreite
überbrücken und bezogen auf die Achse radial angeströmt werden, bei
dem die Leitschaufeln (12) eine Neigung aufweisen, die sich im Bereich ihrer von
der Strömung angeströmten Eintrittskante über die Kanalbreite gegenüber einer
zugeordneten Tangente an den Eintrittskreis des Leitrads (11) ändert, derart,
daß der Neigungswinkel gegenüber einer tangentialen Richtung im Bereich der
nabenseitigen Seitenwand (8) des Strömungskanals größer als im Bereich der
gegenüberliegenden Seitenwand (9) ist und die Neigungsänderung der Tendenz
der Änderung der Anströmrichtung folgt, so daß über der ganzen Kanalbreite
eine zumindest weitgehende tangentiale Anströmung erreicht ist, und bei dem
die Leitschaufeln (12) über ihre Länge eine einer logarithmischen Spirale
zumindest angenäherte Verwindung aufweisen, so daß die Leitschaufeln
gegeneinander verwundene Ein- und Austrittskanten aufweisen.
2. Radialströmungsmaschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitschaufeln (12) an der Eintritts- oder Austrittskante phasenförmig angeschärft sind.
3. Radialströmungsmaschine, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Leitschaufeln (12) über ihrer ganzen Länge eine zumindest annähernd
konstante, geringe Dicke aufweisen.
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