DE2712306A1

DE2712306A1 - Universal-laufradrohling fuer turboverdichter und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2712306A1
Application number: DE19772712306
Authority: DE
Inventors: Homer E Gravelle
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1977-03-21
Publication date: 1977-10-20
Also published as: IT1080036B; CA1055453A; FR2348380A1; US4093401A; JPS52124206A

Description

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UUNDiJTRANOCORPOHATIOtJ, Rock ford (Illinois), V..3t.A.

Universal-Laufradrohling für Turboverdichter und Verfahren

zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für radiale Turboverdichter, insbesondere auf die Ausbildung der Laufschaufeln, die auf das am Laufradeintritt zugeführte Gas während des Umlaufens des Laufrads Arbeit übertragen und den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ändern. Bei einem radialen Turboverdichter dieser Art tritt das Gas am Laufradeintritt in axialer Richtung ein, strömt durch zwischen den Laufschaufeln und einem das Laufrad umgebenden ortsfesten Gehäuse gebildete Lauf-

572-(B 00627 West Germ.)-schb

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schaufelkanäle, wird in im wesentlichen radialer Richtung nach außen gerichtet und tritt am Laufradumfang mit größerem Druck bzw. größerer Förderhöhe auo. Um eine gute Arbeitsleistung des Verdichters zu erzielen, sol] die Gasströmung durch die Kanäle gleichmäßig und ununterbrochen verlaufen, wobei die Laufschaufelkanäle so geformt sind, daß die Rotation und Beschleunigung des Gases so sanft wie möglich erfolgen. An Abhängigkeit von der Betriebsgeschwindigkeit des Laufrads und dem Unterschied zwischen dem Ansaug- und dem Förderdruck des durch die Laufschaufelkanäle strömenden Gases kann es erwünscht sein, am Laufrad einen Einlaufabschnitt auszubilden, um dadurch eine geeignete Gasströmung durch das Laufrad zu gewährleisten. Ein solcher Einlaufabschnitt hat normalerweise die Form einer oder mehrerer Schaufeln, die um die gleiche Achse wie das Laufrad drehbar sind, wobei die Einlaufschaufeln im wesentlichen schraubenförmig konzentrisch zur Achse verwunden sind. An ihrer Vorderkante bildet die wirksame Oberfläche des Einlaufabschnitte einen von ihr eingeschlossenen spitzen Winkel relativ zu einer quer zur Gasströmung verlaufenden Ebene. Auf diese Weise trägt der Einlaufabschnitt während des Umlaufens dazu bei, das Gas in axialer Richtung in das Laufrad zu richten, wodurch die Arbeitsleistung des Laufrads verbessert wird. Die Einlaufschaufeln können von den Laufschaufeln des Laufrads gesondert vorgesehen sein (vg], z. B. US-PS 3 ?λΥ) β?1), die Eintrittsendabschnitte der Laufschaufeln können jedoch auch in im wesentlichen axialer Richtung gewölbt sein, so daß die Einlauffunktion dadurch erhalten wird (vgl. z. H. GA-PS 212 567). Die Erfindung bezieht GicJi auf den letztgenannten Aufbau.

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Hei der /iuslegunp eines Laufrads, dessen Laufschaufeln die Einlauf funktion und auch die übliche Üruckerhöhunpsfunktion haben sollen, wird normalerweise die Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads für maximale Arbeitsleistung in bezug auf die erwünschte Förderstromkapazität des Verdichters und die erwünschte Steigerung des Drucks oder der Förderhöhe des Gases gewählt. Diese Geschwindigkeitswahl basiert auf bekannten theoretischen und empirischen Überlegungen, die nicht Gegenstand der Erfindung sind. Bei gegebener Geschwindigkeit werden der Eintrittsdurchmesser des Laufrads und der Eintrittswinkel der Einlaufabschnitte der Laufschaufeln in bezug auf maximale Leistung unter den Betriebsbedingungen des Verdichters bestimmt.

Da die Laufradgeschwindigkeit, der Eintrittsdurchmesser und der Eintrittswinkel des Einlaufabschnitts bei verschiedenen Betriebsbedingungen verschieden sind, macht ein strenges Festhalten an den festgelegten Lehrgrundsätzen es erforderlich, daß zum Aufrechterhalten der optimalen Arbeitsleistung für jede Gruppe von Betriebsbedingungen ein bestimmtes Laufrad vorgesehen sein muß. Bei Verdichtereinheiten, die innerhalb eines weiteren Leistungsbereichs arbeiten, ist es jedoch üblich, Laufräder zu verwenden, die der optimalen Geometrie angenähert sind, wobei zur Kostensenkung die sich ergebende geringere Wirksamkeit in Kauf genommen wird. Aber selbst in einem solchen Fall sind für eine Gruppe von Verdichtern, die innerhalb eines weiten Bereichs arbeiten, mehrere Laufradausführungen erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Universa 1-Laufradrohlings, der zur Verwendung in einem der Verdichter einer Verdichtergruppe in einfacher Weise bearbeitbar ist, ohne daß sich Verluste in bezug auf die Arbeitsleistung des Verdichters ergeben; dadurch wird vermieden, daß für jeden Verdichter der Cruppe zum erreichen einer vergleichbaren Arbeitsleistung ein gesondert aufgebauter Laufradrohling benötigt wird. Dabei noil ein Laufradrohling vorgesehen sein, der Laufschaufeln rri i t neuartig ausgebildeten Einlaufabschnitten hat, wodurch der Laufradrohling in einem einfachen Hearbeitungsschritt in radialer und axialer Richtung so bearbeitbar ist, daß ein Laufrad mit Laufschaufeln erhalten wird, die für den Hochleistungsbetrieb in einem bestimmten Verdichter der Verdichtergruppe die erwünschte ;■ rölJe, Korni und den erwünschten Eintrittswinkel haben; der Kintrittswinkel ist so bemessen, daß in bezug auf die wirksame Oberfläche der Kinlaufabschnitte der Laufschaufeln die kleinste !asgeschwindigkeit erzielt wird.

Dabei sollen ferner die Einlaufabschnitte der Laufschaufeln so aufgebaut sein, daß die wirksame Oberfläche jedes Einlaufabschnitts durch eine Kurvenschar gebildet wird, so daß, wenn die Schaufel axial in einer zur Laufradachse quer verlaufenden Ebene bearbeitet wird, der Eintrittswinkel sich als eine inverse Punktion seines Radialabstands von der Laufradachse und ferner als eine inverse Punktion des Axialabstands der Ebene vom Übergang des Einlaufabschnitts in einen im wesentlichen radialen Abschnitt der Laufschaufel ändert.

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Weiter ist vorgesehen, daß die wirksamen Oberflächen der Einlaufabschnitte der Laufschaufeln mit der vorgenannten Kurvenschar dadurch gebildet werden, daß die Kurven auf zur Lauf'radachse konzentrisch orientierte zylindrische if'lächen gewickelt werden, so daß jede Kurve der Kurvenschar sich längenmäßig in einer im wesentlichen axialen Richtung relativ zum Laufrad erstreckt und eine Tangentiallinie zu der Kurve an Schnittpunkt der Kurve mit der quer verlaufenden Ebene im wesentlichen den Eintri t tr>v/irke 1 des Ein Laufabschnitts an dieser Stelle definiert, r>evorzugt v/erden die Kurven entsprechend der allgemeiner OLeiehunr W = Kf(.'.) rewählt,

mit ti - Au t'w icke I. lange einer Kurve auf ihre zugeordnete 7,y L iiidrifjcne !''lache, gemessen in Urnfangsrichtung,

Z = fiängo der Kurvt;, gemessen in axialer Richtung, auf der gLeictien zylindrischen Fläche und

K = eine Konstante, deren Wert eine Tangent Laifunktion ist, bezogen auf den kleinsten Eintrittsdurehmesser, der am Laufradrohling für die Verdichtergruppe ausarbeitbar ist.

Für die verschiedenen Kurven der Kurvenschar ändert sich der Wert von K entsprechend dem Verhältnis des kleinsten Eintrittsdurchmessers zu einem für das spezifische bearbeitete Laufrad gewählten Eintrittsdurchmesser. Insbesondere ist es erwünscht, die Kurvenschar als parabolische

Kurven auszubilden, die durch die Gleichung W = KZ definiert sind, wobei jede Kurve der Kurvenschar tangential zu einer in axialer Richtung auf der Oberfläche des zu-

7 ' ι H A » / 0 ti Ö 7

"*" 271730(5

peordneteii 'yJiiicierc; vorlaufender Linie verläuft und die Ursprunrsjpunkte sämtlicher l'urver der Jirhar auf einer gemeinsamen, im wesentlichen radialen Linie von der Laufradachse liegen.

Ferner soll ein neues Verfahren zum Herstellen eines Laufrads aus einem solchen Laufradrohling geschaffen werden, wobei die Einlaufabschnitte der Laufschaufeln einen ausgewählten Eintrittsdurchmesser erhalten, der durch die Arbeite- und die Strömungsgeschwindigkeit eines spezifischen Verdichters der Verdichtergruppe bestimmt ist, und wobei die Laufschaufeln ferner axial eine solche Länge erhalten, daß der Eintrittswinkel an den Vorderkanten der Laufschaufeln für den gewählten Eintrittsdurchmesser optimal ist.

Durch die Erfindung wird also ein Laufradrohling für radiale Turboverdichter angegeben, dessen Laufschaufeln Einlaufabschnitte mit parabolischer Kontur haben, die sich in einer im wesentlichen axialen Richtung von im wesentlichen radialen Abschnitten der Laufschaufeln erstrecken. Der Winkel der wirksamen Oberfläche jedes Einlaufabschnitts relativ zu einer rechtwinklig zur Laufradachse verlaufenden Ebene ändert sich umgekehrt mit dem Durchmesser und mit der axialen Abmessung des Einlaufabschnitts vom radialen Abschnitt. Die Einlaufabschnitte Bind auf einen Durchmesser für kleinste Gasgeschwindigkeit in bezug auf das Laufrad, eine Punktion

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der Gasströmungsgeschwindigkeit und der Laufradgeschwindigkeit, bearbeitet und haben in axialer Richtung einen Eintrittswinkel, der eine Punktion des Verhältnisses der axialen zur Umfangsgasgeschwindigkeit ist, so daß eine mit der wirksamen Oberfläche des Einlaufabschnitts nahezu parallele Strömung erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen radialen Mehrstufen-Turboverdichter, in dem ein Laufrad nach der Erfindung vorgesehen ist;

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht des Laufrads nach der Erfindung, bei dem zur besseren Klarheit der verschiedenen Laufradteile mehrere Laufschaufeln weggelassen sind;

Fig. 3 einen axialen Schnitt durch den Laufradrohling;

Fig. 4 eine Draufsicht längs der Linie 4-4 von Fig. 3;

Flg. 5 eine Seitenansicht eines anderen Ausführungebeispiele des Laufradrohlings;

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Pig. 6 eine Ansicht länge der Linie 6-6 nach Pig. 5; und

Pig. 7 eine Perspektivansicht, die zeigt, in welcher

Weise die wirksame Oberfläche der Einlaufabschnitte durch Kurven erhalten wird.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf ein Laufrad 15 erläutert, das speziell in einem radialen Turboverdichter 16 anwendbar ist. Laufräder 15a und 15b einer ersten und einer zweiten Verdichterstufe sind auf entgegengesetzten Enden einer in geeigneter Weise (nicht gezeigt) angetriebenen Welle 17 angeordnet. Sie beiden Laufräder sind gleichartig aufgebaut, wobei in Abhängigkeit von der Umlaufrichtung der Welle das eine rechtsdrehend und das andere linksdrehend ist. Gas wird durch eine Ansaugöffnung 19 in eine Saugkammer 20 gesaugt und vom Umfang des Laufrads 15a der ersten Stufe in eine Förderkammer 21 gefördert. Diese ist mit einer Saugkammer 23 für das Laufrad 15b der zweiten Stufe über eine Leitung 24 verbunden, und während des Umlaufens der Welle wird von der Saugkammer 23 durch das Laufrad 15b Gas angesaugt und mit höherem Druck in eine mit einer Auslaßleitung 26 verbundene zweite Förderkammer 25 gefördert.

Aufgrund der Stufenausbildung des Turboverdichters 16 haben die Laufräder 15a und 15b verschiedene Größe und gering unterschiedliche Form in Abhängigkeit von verschiedenen Konstruktionsparametern des Turboverdichters. Pur die Zwecke der folgenden Erläuterung werden die Laufräder jedoch als im wesentlichen gleich aufgebaut angesehen, wobei sie jedoch verschiedendrehend sind. Das Laufrad 15 nach Pig. 2 hat einen

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Radkörper 27, der ein Rotationskörper mit im wesentlichen Kegelstumpfform ist, dessen Außenfläche in Richtung zur Rotationsachse 29 konkav ist und somit im Axialschnitt eine Kurvenkontur definiert. Eine Mehrzahl Laufschaufeln 30 ist mit dem Radkörper einstückig ausgebildet und steht von dessen Außenflächen vor. Wenn das Laufrad im Turboverdichter angeordnet ist, bilden die Zwischenräume zwischen den Laufschaufeln undeinem angrenzenden Gehäuse 31 (vgl. Pig. 1), dessen Form der axialen Kontur der Laufschaufeln komplementär ist, Laufschaufelkanäle 33, durch die das Gas strömt und verdichtet wird.

Jede Laufschaufel 30 des Laufrads 15 hat einen Einlaufabschnitt 34, der sich im wesentlichen in axialer Richtung von einer Stelle neben dem Eintritt oder Auge 35 des Radkörpers 27 in Längsrichtung zu dem Grundteil 36 des Laufradkörpers erstreckt. Zwischen dem Eintritt und dem Grundteil des Laufradkörpers geht der Einlaufabschnitt allmählich in einen im wesentlichen radialen Abschnitt 37 über. Für eine gleichmäßigere und ununterbrochene Gasströmung durch das Laufrad sind die Einlaufabschnitte im wesentlichen in axialer Richtung in bezug auf die Achse 29 des Laufrads gewölbt, so daß die Vorderkante 39 jedes Einlaufabschnitts in Umfangsrichtung mit Abstand vor dem Radialabschnitt der Laufschaufel in Rotationsrichtung des Laufrads liegt (vgl. Fig. 2). Bevorzugt sind die Abschnitte so gewölbt, daß ein Winkel ß, gemessen zwischen einer Tangente zur Krümmung der wirksamen Oberfläche 38 der Laufschaufel im Einlaufabschnitt und einer zur Laufradachse senkrechten Ebene, im Verlauf von der Vorderkante zum Radialabschnitt zunehmend grlßer wird. Dadurch sind die Laufschaufelkanäle 33 so geformt, daß sie die axial in das Laufrad gerichtete

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Gasströmung gleichmäßig und ununterbrochen in eine in radialer Richtung aus dem Laufrad an den radialen Vorderenden 32 der Laufschaufeln austretende Gasströmung umwandeln.

Sämtliche Laufschaufeln 30 sind zwar in der erläuterten Weise ausgebildet, jedoch sind die Einlaufabschnitte 34 abwechselnd aufeinanderfolgender Laufschaufeln abgeschnitten. Nach Fig. 2 sind die Vorderkanten 40 dieser abgeschnittenen Laufschaufeln vom Eintrittsende 35 des Radkörpers 27 beabstandet, wodurch eine zu enge Anordnung am Ansaugende des Laufrads 15 und eine Beschränkung des in das Laufrad einströmenden Gases vermieden werden. Diese abgeschnittenen Laufschaufeln werden hier als Teiler-Laufschaufeln 30a bezeichnet und dienen dazu, eine unerwünschte Rezirkulation des Gases im Laufrad zwischen den Laufschaufeln 30 mit voller Länge klein zu halten.

Bei der Auslegung des Turboverdichters 16 nach vorgegebenen Erfordernissen ergeben sich in bezug auf die im Turboverdichter zu verwendenden Laufräder 15, die ein optimales Arbeiten des Turboverdichters bewirken sollen, bestimmte bauliche Beschränkungen. Tvpischerweise umfassen diese die Wahl eines Laufrads, das am Eintrittsende die richtige Durchmesseröffnung hat. Ferner ist es in bezug auf jede Laufschaufel 30 dee Laufrads wesentlich, daß die wirksame Oberfläche 38 an der Vorderkante 39 des Einlaufabschnitts 34 sich dem in axialer Richtung einströmenden Öas unter einem bestimmten Winkel darbietet· Bei unterschiedlichen Turboverdichtern und unterschiedlichen Stufen eines Turboverdichtere beruhen dieser Eintrittswinkel B und der Ein-

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trittsdurchmesser D auf der Umlaufgeschwindigkeit der Welle 17. Die Umlaufgeschwindigkeit basiert wiederum auf verschiedenen bekannten theoretischen und empirischen Überlegungen, die zu der erwünschten Strömungs- und Förderhöhenzunahme zwischen der Saugseite und der Druckseite des Turboverdichters in Beziehung stehen.

Nach Fig. 2 ist die Gasströmungsgeschwindigkeit am Umfang der Vorderkante 39 des Einlaufabschnitts 34 die Vektorsumme der axialen Strömungsgeschwindigkeit V des Gases

el

und der Umfangsgeschwindigkeit ü des Gases relativ zu der wirksamen Oberfläche 38. Diese Axial- und Umfangsgeschwindigkeiten sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:

Y_a = ψ X-X «— (1)

^ue

mit Q = Gasströmungsgeschwindigkeit

D = Eintrittsdurchmesser des Laufrads,

Dj₁ s Nabendurchmesser des Laufrads,

N = Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads, S = ein empirisch bestimmter Stabilitätsfaktor, der

die Gleichung (1) an die Laufschaufeldicke anpaßt,

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-Vt-

Für die resultierende Gasströmungsgeschwindipkeit V gilt

die folgende Gleichung:

^Vg

Für die kleinste Gasströmungsgeschwindigkeit relativ zum Laufrad werden die Gleichungen (1) und (2) in Gleichung (3) eingesetzt, und die erste Ableitung des resultierenden Ausdrucks wird gleich Null gesetzt, so daß die folgende Gleichung (unter Weglassen der Rechenschritte) erhalten wird:

Aus der Gleichung (4) ist der erwünschte Eintrittsdurchmesser D bei gegebenen Bedingungen leicht durch Einsetze der geeigneten Werte für Q, N, S und D berechenbar.

Wie bereits erwähnt, ist der Eintrittswinkel ß an der Vorderkante 39 bevorzugt derart, daß die resultierende Gasströmungsgeschwindigkeit V relativ zu der wirksamen Oberfläche 38 an der Vorderkante kleingehalten wird. Aus Fig. ist ersichtlich, daß der Winkel ß theoretisch durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

ß = tan yä (5).

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In der praktischen Anwendung wird der theoretische Winkel ß gering vergrößert zur Bildung eines positiven Gaseintrittswinkels S ι so daß dem Gas unmittelbar beim Eintreten in den Laufradeinlauf Energie zugeführt wird. Dabei ist der Eintrittswinkel ß.. der theoretische Eintrittswinkel ß plus der positive Auftreffwinkel S » der typischerweise zwischen 3 und 5° beträgt.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß der Eintrittsdurchmesser D und der Eintrittswinkel ß des Ein-

laufabschnitts für unterschiedliche Arbeitsbedingungen des Laufrads 15 verschieden sind. Infolgedessen benötigt man für eine Gruppe von Turboverdichtern 16, die unterschiedliche Ausgangsleistungen innerhalb eines weiten Arbeitsbereichs liefern können, eine Reihe von verschiedenen Laufrädern, wenn jeder Verdichter optimal arbeiten soll. Entsprechend der Hauptaufgabe der Erfindung sind die Einlaufabschnitte 34 der Laufschaufeln 30 in solcher Weise geformt, daß ein Universal-Laufradrohling 41 (vgl. die Fig. 3 und 4) erhalten wird, der in einem einfachen Bearbeitungsschritt so bearbeitbar ist, daß der für ein Laufrad erforderliche spezifische Eintrittsdurchmesser und Eintrittswinkel erhalten werden. Zu diesem Zweck wird die wirksame Oberfläche 38 jedes Einlaufabschnitts 34 durch eine Kurvenschar 43 (vgl. die Fig. 5, 6 und 7) gebildet, die in im wesentlichen radialer Richtung relativ zur Achse 29 des Laufrads übereinanderliegt und sich in Längsrichtung relativ zu dieser Achse erstreckt zur Bildung der wirksamen Oberfläche. Insbesondere sind die Kurven durch die allgemeine Gleichung definiert:

W = Kf(Z) (6)

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-K-

mit Z = axiale Dimension jeder Kurve,

W = transversale Dimension jeder Kurve, und zwar umfangsmäßig relativ zur Laufradachse gemessen,

K = eine Konstante, deren Wert sich relativ zum Radialabstand jeder Kurve von der Laufradachse ändert.

Vorteilhafterweise ist K eine auf den kleinsten Eintrittsdurchmesser D . der Laufradserie in der Verdichtergruppe bezogene Tangentenfunktion und ändert sich entsprechend dem Verhältnis dieses kleinsten Eintrittsdurchmessers zum Eintrittsdurchmesser des für einen bestimmten Verdichter der Gruppe ausgewählten Laufrads. Aufgrund dieser Konstruktion kann der Laufradrohling in Radialrichtung in bezug auf den spezifischen erforderlichen Eintrittsdurchmesser D und im übrigen so bearbeitet werden, daß an der Vorderkante 39 der Eintrittswinkel ß die erwünschte Größe hat. Damit können die rechts- und linksdrehenden Laufräder, die für die Gruppe von Verdichtern erforderlich sind, aus zwei Universal-Laufradrohlingen hergestellt werden, so daß nicht für jedes Laufrad der Serie ein gesondertes Gußstück benötigt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Pig. 1-4 sind die im wesentlichen radialen Abschnitte 37 der Laufschaufeln 30 geschweift gewölbt, wobei die wirksamen Oberflächen 38 der Abschnitte tunfangsmäßig in eine zur normalen Umlaufrichtung des Laufrads 15 entgegengesetzte Richtung aus den normalerweise wahren radialen Stellungen relativ zur Laufradachse 29 versetzt sind. Die radiale Krümmung der Schweifung ist mathematisch nach festgelegten und bekannten Gleichungen definiert, so daß die geschweiften Radialabschnitte koordinatenmäßig relativ zu echten Radialstellungen

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festgelegt werden. In praktisch der gleichen Weise werden die geschweiften Positionen relativ zu der radial gerichteten Grundgeometrie der Einlaufabschnitte 34 der Laufschaufeln mit Hilfe von Koordinatenverschiebungsberechnungen ermittelt, wodurch die geschweifte Konfiguration in den Einlaufabschnitten festgelegt wird, so daß die ganze Länge jeder Laufschaufel in erwünschter Weise geschweift oder gekrümmt wird.

Zwar wird für manche Anwendungszwecke die geschweifte Konfiguration der Laufschaufeln bevorzugt, ungeschweifte radiale Laufschaufeln können jedoch für andere Anwendungszwecke durchaus befriedigend und sogar erwünscht sein. Bei beiden Arten von Anwendungszwecken existiert jedoch die gleiche Grundgeometrie für die Einlaufabschnitte 34 der Laufschaufeln 30, und diese grundlegende Geometrie ist in den Fig. 5-7 für ein Laufrad mit ungeschweiften Laufschaufeln gezeigt. Dieses Laufrad vermittelt möglicherweise ein klarer·· lild der grmadl«fta4«a t«*e*tri· tee Einlaufabschnitts. Daher wird nachstehend die grundlegende Geometrie des Einlaufabschnitts im Zusammenhang mit einer Laufradausbildung mit ungeschweiften Laufschaufeln erläutert, wobei die gleichen Bezugszeichen wie vorher, jedoch einfach gestrichen, verwendet werden und darauf hingewiesen wird, daß diese Erläuterung mit Ausnahme der Koordinatenverschiebung ebenso für die Ausführungsform mit geschweiften Laufschaufeln gilt.

Nach den Fig. 5-7 gilt für die d*n liiill»fal>eÄhnitt 34' bildende Kurvenschar 43' bevorzugt die Gleichung:

W = *Z² (7)

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so daß die wirksame Oberfläche 38' im wesentlichen Parabelform hat. Bei der Bildung der wirksamen Oberfläche werden die Kurven auf zur Laufradachse 29' konzentrische zylindrische Flächen gewickelt. Eine solche Kurve 43' ist in Fig. 7 gezeigt, wobei die vertikale Koordinatenachse Z und die horizontale Koordinatenachse W der Kurve in einer Koordinatenebene P liegen. Die Strichlinienlage der Kurve gibt ihre Anordnung auf der Oberfläche des Zylinders C wieder, während die Ebene P im Gegenuhrzeigersinn auf die Zylinderfläche gewickelt ist. Die übrigen Kurven der Kurvenschar werden in gleicher Weise auf Zylinder unterschiedlicher Durchmesser D gewickelt, die den Durchmesserbereich zwischen dem kleinsten Durchmesser D . und dem größten Durchmesser D der Laufradeintritte darstellen. Dabei liegen die Ursprünge 44' der Kurvenschar in einer gemeinsamen Ebene (die in Fig. 5 mit P ¹^ bezeichnet ist), die zur Laufradachse 29' senkrecht verläuft, so daß die Kurven an ihren unteren Enden in einer axialen Richtung tangential zu den im wesentlichen radial verlaufenden Abschnitten 37' der Laufschaufeln sind. Somit ergibt sich ein gleichmäßiger und ununterbrochener Gasstrom durch das Laufrad aufgrund der zwischen den Laufschaufeln 30· des Laufradkörpers 27' und dem Gehäuse 31 gebildeten Laufschaufelkanäle 33'.

Bei der Herstellung des laufradrohlings 41' für die Gruppe von Verdichtern 16 werden der kleinste Eintrittsdurchmesser ^Dmin ^eines !»aufrads 15 der Gruppe und die größte axiale Länge I_03x der Kurven 43' gewählt. Der Eintrittsdurchmesser ^Dmin ^kann entsprechend der Gleichung (4) aufgrund der Geschwindigkeits-, Strömungs- und Druckkapazitäten des Verdichters der Gruppe berechnet werden. Die Kurvenlänge Z

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wird empirisch durch Bestimmen einer geeigneten axialen Drehlänge für die Gasströmung, z. B. durch Kurvenabwicklung der Laufradserie in der Verdichtergruppe, erhalten. Mit den gegebenen Grenzwerten für D- und Z ist der Winkel ß ebenfalls entsprechend den vorerwähnten Überlegungen und der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads festgelegt. Vorteilhafterweise wird die Kurvenkonstante K als eine Tangentialfunktion dieses erwünschten Winkels ß festgesetzt, so daß bei D . und Z die Neigung einer be-

ΓΠ1 Ii IiIcLX

stimmten Kurve gleich der Tangente von ß für diese Kurve ist.

Zur mathematischen Festlegung von K ergibt sich, daß für die erste Ableitung der Gleichung (7) in bezug auf Z gilt:

dW = 2KZ = cot ß.
dZ

Bei Auflösung dieser Gleichung für K ergibt sich K wie folgt:

2Z tan ß

^{und bel D}min ^{und Z}max ^gilt:

^2Zmax^{tan ß}m

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Da der Eintrittswinkel ß bei einiger Z-Länge der Kurve 43' für ein mit ausgewählter Geschwindigkeit arbeitendes Laufrad eine Punktion des Radialabstands der Kurve von der laufradachse 29' ist, sind für vom kleinsten Eintrittsdurchmesser D . verschiedene Eintrittsdurchmesser D die Kurvenkonstanten durch die allgemeine Gleichung gegeben:

^De ^De

^2Dmin^Zmax^{tan ß}m

Somit ist K für die anderen Kurven 43' der Kurvenschar zur Bildung der wirksamen Oberfläche 38' des Einlaufabschnitts 34' bestimmt. Es ist jedoch zu beachten, daß durch Definieren der verschiedenen Kurven in der erläuterten Weise an der Vorderkante 39' der Wert von ß für jede einzelne Kurve der Kurvenschar abnimmt, wenn die axial gemessene Länge der Kurve zunimmt, und daß ferner beim radial nach außen gerichteten Verlauf vom kleinsten Eintrittsdurchmesser D. weg der Wert von ß zunimmt.

Unter Anwendung der vorstehenden Gleichungen ist der Lauf-, radrohling 41', der typischerweise ein Gußstück ist, herstellbar, und ein Laufrad für einen bestimmten Turboverdichter 16 wird aus dem Gußstück durch Bearbeiten seines Durchmessers entsprechend dem Durchsatz und der Geschwindigkeit, die für den bestimmten Verdichter gewünscht werden, sowie durch Bearbeiten der axialen Länge der Laufschaufeln zur Erzielung des erforderlichen Eintrittawinkels ß hergestellt.

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Zum besseren Verständnis der Geometrie des Laufrads zeigt Fig. 5 die allgemeine Form der wirksamen Oberfläche 38' einer Laufschaufel 30' des Laufradrohlings 41', wobei eine Kurve 43' der Kurvenschar, aus der die wirksame Oberfläche gebildet wird, in Strichlinie dargestellt ist. Dabei ist ersichtlich, daß der Ursprung der Kurve 43' an der Stelle 44' liegt, die durch den Schnittpunkt des Eintrittsdurchmessers D mit der Horizontalebene P'p gegeben ist, wobei der Schnittpunkt um den größten Axialabstand Z „„ vom Eintrittsende 35' des Laufradkörpers 27' beabstandet ist. In Fig. 6 ist die Kurve 43' eine Strichlinie, die zur Laufradachse 29' konzentrisch verläuft. Die gesamte Axiallänge des Radkörpers ist etwas größer als die Axiallänge Z zuzüglich einer axialen Dimension

IIlcLX

b'p, die die größte erwünschte Länge des Laufschaufelvorderendes 32* der Laufradserie für die Gruppe von Verdichtern 16 ist. Die Ursprungspunkte der anderen Kurven der Kurvenschar liegen innerhalb der gleichen Horieontalebene wie der Ursprungspunkt der dargestellten Kurve und verlaufen auf einer gemeinsamen Radiallinie 45*. In Fig. ist der Einlaufabschnitt 34' der Laufschaufel natürlich der über der Horizontalebene P'₂ liegende Teil, während der Radialabschnitt 37' der unterhalb der Ebene liegende Abschnitt ist. In Fig. 6 liegt der Einlaufabschnitt im Gegenuhrzeigersinn zu der Radiallinie 45', während der Radialabschnitt als Kante gezeigt ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit geschweiften Laufschaufeln zeigt Fig. 3t in welcher Weise der Laufradrohling 41 sowohl radial als auch axial zu dem Strichlinienumriß bearbeitet wird, so daß sowohl der gewählte Eintrittsdurch-

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messer D als auch der richtige Eintrittswinkel ß des Einlaufabschnitts der Laufschaufeln erhalten werden (vgl. Fig. 2). Pur ein Laufrad mit dem kleinsten Eintrittsdurchmesser D . hat der Laufradrohling den richtigen Laufschaufel-Eintrittswinkel ß , wenn jedoch ein größerer Eintrittsdurchmesser D verwendet wird, ist der Eintrittsv/inkel bei einem Laufrad mit voller Länge flacher als erwünscht. Infolgedessen wird der Laufradrohling in axialer Richtung so bearbeitet, daß der richtige Eintrittswinkel ß erhalten wird. Wenn durch die axiale Bearbeitung des Laufradrohlings eine übermäßig dicke Laufschaufel am Eintritt erhalten wird, kann die Laufschaufel dünner gemacht werden, um die aerodynamischen Eigenschaften des Laufrads zu verbessern.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß ein Universal-Laufradrohling 41 hergestellt wird, aus dem eine Serie von Laufrädern 15 für unterschiedliche Arbeitsleistungen von Turboverdichtern 16 durch einfaches Bearbeiten herstellbar ist, so daß nicht jedes Laufrad der Serie gesondert gegossen werden muß. Dies wird vorteilhafterweise dadurch erreicht, daß die Einlaufabschnitte 34 der Laufschaufeln 30 aus einer Schar von Parabeln 43

2 mit der allgemeinen Formel W = KZ gebildet werden.

Zur Bildung der Einlaufabschnitte der Laufschaufeln werden die Kurven auf Zylinderflächen gewickelt, die mit der Laufradachse konzentrisch sind, und die Kurvenkonstante K wird von einem Niedrigstwert entsprechend dem Abstand dieser Kurven von der Achse geändert. Aufgrund der Bestimmung des Niedrigstwerts der Kurvenkonstanten als eine Tangentialfunktion relativ zu dem kleinsten Eintrittsdurchmesser D_n^_n der Laufradachse wird für das Laufrad

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mit dem kleinsten Augendurchmesser ein geeigneter Eintrittswinkel ß festgestellt, und die anderen Laufradgrößen der Laufradserie werden durch geeignetes Bearbeiten des Laufradrohlings in radialer und axialer Richtung, wodurch die für die jeweiligen Laufräder spezifischen Eintrittsdurchmesser ΰ und Eintrittswinkel ß erzielt werden, hergestellt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche ί 1 JUniversal-Laufradrohling, der zur Bildung eines einer Serie von Laufrädern bearbeitbar ist, gekennzeichnet durch einen als Rotationskörper um eine Mittenachse drehbaren Radkörper (27; 27') mit im wesentlichen Kegelstumpfform, der quer zur Achse Kreisschnitt und eine gewölbte Außenfläche hat, die im wesentlichen zu der Mittenachse konkav ist; mehrere am Radkörper (27; 27') ausgebildete Laufschaufeln (30; 30·)» deren jede einen vom Grundteil (36) des Radkörpers einwärts verlaufenden ersten Abschnitt und einen vom ersten Abschnitt zum stumpfen Ende des Radkörpers (27; 27') verlaufenden Einlaufabschnitt (34; 34') aufweist, der in bezug auf eine zu der Achse quer verlaufende Ebene einen Winkel hat, der eine inverse Funktion des Durchmessers und eine inverse Punktion des Axialabstands vom ersten Abschnitt ist. 2. Aus dem Laufradrohling nach Anspruch 1 gearbeitetes Laufrad, gekennzeichnet durch einen Eintrittsdurchmesser (D ), der definiert ist als eine Punktion der erwünschten Strömungsgeschwindigkeit und eine für den Eintrittswinkel (ß) eines Einlaufabschnitts (34; 34*) gewählte axiale Länge zum Kleinhalten der Gasgeschwindigkeit relativ zu der Oberfläche des Einlaufabschnitts (34;34'). 3. Laufrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittswinkel (ß) des Einlaufabschnitts (34; 34») durch die folgende Gleichung gegeben ist: ß - tan ~1 axiale Gasgeschwindigkeit Umfangsgasgeschwindigkeit * 7098U/0687 ORIGINAL INSPECTED 4. Laufradrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufabschnitt (34') durch parabolische Kurven der Form W = KZ2 (7) definiert ist, mit W = Umfangsabmessung des Einlaufabschnitts um den Radkörper, Z = axiale Einlaufabmessung von den ersten Abschnitten der Laufschaufeln und K = Parabelkonstante. 5. Laufradrohling nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parabelkonstante (K) eine Punktion des Eintrittsdurchmessers (D ) des Laufrads ist. 6. Laufradrohling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Parabelkonstante (K) gilt: 2ZmaxDnintan ßm mit Z = maximale Länge der Einlaufabschnitte IucljC D . = kleinster Eintrittsdurchmesser der LamfvaA-serie und ßm = Eintrittswinkel des Einlaufabschnitts bei maximaler Länge und kleinstem Durchmesser des Einlaufabschnitte. 709842/0687 7. Laufradrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (30·) mit dem Radkörper (27') einstückig geformt sind und von diesem abstehen, wobei der erste Abschnitt als ein im wesentlichen radialer Abschnitt definiert ist, der sich in Längsrichtung im wesentlichen radial lind mit seiner Kante im wesentlichen axial längs dem Grundteil des Radkörpers (27') erstreckt, und der Einlaufabschnitt (341) sich in Längsrichtung des radialen Abschnitts im wesentlichen axial und mit seiner Kante im wesentlichen radial längs dem oberen Abschnitt des Radkörpers (271) erstreckt und eine wirksame Oberfläche (381) aufweist, die durch eine Schar von Kurven (431) wenigstens zweiter Ordnung erzeugt ist, die die allgemeine Formel haben: W = Kf(Z) (6) mit W = Umfangsdimension der Kurve relativ zur Laufradachse , Z = axiale Dimension der Kurve und K = Kurvenkonstante wobei die Konstante (K) einen Wert hat, der eine tangentiale Punktion, bezogen auf die größte axiale Länge Z der IUQiX. Kurven (43*) und den kleinsten Eintrittsdurchmesser (B ■) der Laufräder (15) der Laufradserie, ist, und die Konstante (K) ferner entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Radius des kleinsten Eintrittsdurchmessers (D_. ) und dem Radialabstand der Kurve (431) von der Laufradachse (29') änderbar ist, so daß die Laufschaufeln (3O1) des Laufradrohlings (41) in Axial- und Radialrichtung bearbeitbar sind zum Erhalt eines ausgewählten Laufrads der Laufradserie. 709842/0687 - 35 - 8. Laufradrohlin/r nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß f(Z) = Z2. 9. Laufradrohling nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für den V/ert der Kurvenkonstanten (K) gilt: ßm init ß = theoretischer Eintrittswinkel eines Laufrads der .Serie mit kleinstem Eintrittsdurchmesser (D . ) und rrößter Kurvenlänge (Z ). 10. Lrmfradrohling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradserie mit unterschiedlichen Eintrittsdurchnessern (l) ) und Eintrittswinkeln (ß) ausbildbar sind, v/obei der erste Laufradabschnitt und der Einlaufabschnitt (34) jeder Laufschaufel eine wirksame Oberfläche (38) definieren, von der sich wenigstens ein Teil längenmäßig im wesentlichen in Axialrichtung und kantenmäßig im wesentlichen in Radial richtung relativ zur Laufradachse (29) erstreckt und dieser Teil durch eine Schar von Kurven (4 3) wenigstens zweiter Ordnung gebildet ist, die auf den Eintrittsdurchnessern QO entsprechende Zylinder (C) ge- 09842/0687 wickelt sind und deren Neigungen mit fortschreitendem Verlauf vom Laufradeintritt zunehmen, wobei die Kurven (43) definiert sind durch die allgemeine Gleichung W = Kf(Z) (6) liiit W = Umfangsdiinension der Kurve relativ zur Laufradachse, Z = Axialdimension der Kurve und K = Kurvenkonstante, wobei die Kurvenkonstante (K) bestimmt ist durch die Gleichung D ν - e JV ~— Ti « f / r^i ßm mit D . = kleinster Eintrittsdurchmesser für die Laufmin räder der Serie, f'(Z) = Wert der ersten Ableitung von der Gleichung (6) max für die größte Axialdimension (Z ) der Kurven max für die Laufräder der Serie und ß = theoretischer Eintrittswinkel für ein Laufrad der Serie mit kleinstem Eintrittr.durchmesser (-D1n^n) und größter axialer Kurven- 709842/0687 11. Aus dem Laufradrohling nach Anspruch 1 gearbeitetes Laufrad, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaufabschnitt (34; 34') jeder Laufschaufel (30; 30') definiert ist durch parabolische Kurven (43; 431)» die auf eine Serie von mit der Laufradachse (29; 29') konzentrischen Zylinderflächen gewickelt sind, wobei der Ursprung (44; 44') jeder parabolischen Kurve (43; 43') in einer Ebene (P12) liegt, die quer zur Laufradachse (29; 29') verläuft und einen vorbestimmten Abstand (Z__ ) vom stumpfen Ende des Radkörpers (27; 27') hat. 12. Laufrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ursprungspiinkten (44; 44') jeder eine Laufschaufel (30; 3Of) definierenden Parabel (43; 43') diese tangential zu einer Ebene ist, die die Laufradachse (29; 29·) enthält und radial dazu verläuft. 13. Laufrad nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Parabel (431) die Form W = KZ2 (7) mit W = Umfangsabmessung der auf eine Zylinderfläche gewickelten Parabel, K = Parabelkonstante und Z = Axialabmessung der Kurve. 709842/0687 14. Laufrad nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante (K) jeder Parabel (431) eine Ftmktion des Durchmessers des cylinders dieser Parabel ist. 15. Laufrad nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Konstante (K) jeder Parabel (4 3*) gilt: K = K e m -min mit K = Konstante der auf eine zylindrische Fläche mit einem Durchmesser D . gewickelten Parabel, K = Konstante der auf eine zylindrische Fläche mit einem Durchmesser D gewickelten Parabel. 16. Laufrad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche jedes Einlaufabschnitts (341) in einer zum Laufrad (15) radialen Ebene im wesentlichen eben ist. 17. Verfahren zum Herstellen eines Laufrads für einen Turboverdichter mit bestimmtem Durchsatz, gekennzeichnet durch Wählen der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads; Vorsehen eines Laufradrohlings, der aufweist: einen Radkörper, der als abgestumpfter, im wesentlichen J09842/0687 konischer Rotationskörper mit einer Längsachse, einem zu dor Achne quer verlaufenden Abschnitt und einem zu aar Achse längs verlaufenden gewölbten Abschnitt ausgebildet ist, eine J ohrzahl Laufschaufeln am Radkörper, deren jede einen vom (!rundteil des Radkörpers sich erstreckenden ersten Abschnitt und einen sich von diesem ersten Abschnitt zum stumpfen Knde des Radkörpers erstreckenden Einlaufabschnitt hat, v/obei der Einlaufabschnitt zu einer zu der Achse quer verlaufendenEbene einen Winkel bildet, der eine inverse Punktion des Durchmessers und eine inverse Funktion des Axialabstands vom ersten Abschnitt ist; Bearbeiten der Einlaufabschnitte auf den Eintrittsdurchmesser entsprechend der gewählten Ceschwindigkeit und dem gegebenen Durchsatz des Turboverdichters; und Bearbeiten der Laufschaufellänge zur Ausbildung eines solchen Eintrittswinkels (ß) am Vorderende des Einlaufabsehnitts in bezug auf eine rechtwinklig zur Laufradachse vorlaufende Ebene, daß dieser Eintrittsv/inkcl (ß) für den Eintriitsdurchmesser des Laufrads optimal ist. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsdurchmesser des Laufrads für die kleinste Strömungsgeschwindigkeit in bezug auf das Laufrad bestimmt wird. 1'.1. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß 709842/0687 i;iLt Q = (lasströmungsgeschwindigkeit am Laufrade in trit t, N = Laufradgeschwindigkeit, '3 = der eine U1UnICt ion der Laufschaufel dicke darstellende Faktor und

1) = Durchmesser der Laufradnabe am stumpfen Ende.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradlänge so ausgearbeitet wird, daß der ;;intrittswinkel (ß) des Einlaufabschnitts für kleinste asgeschwindigkeit relativ zur Oberfläche des Einlaufabschnitts erhalten wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß für den Eintrittswinkel (ß) des Einlaufabschnitts gilt:

ß - tan"^ axiale Gasgeschwindigkeit Umfangsgasgeschwindigkeit *

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