DE2744366A1

DE2744366A1 - Laufrad fuer einen radialen turboverdichter

Info

Publication number: DE2744366A1
Application number: DE19772744366
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ishihara
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1977-10-01
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2386708B1; JPS53122906A; DE2744366C2; GB1587213A; US4167369A; FR2386708A1

Description

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KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSHO Tokio, Japan

Laufrad für einen radialen Turboverdichter

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter mit einer mit einem Nebenabschnitt versehenen Laufradscheibe und einer Mehrzahl von Laufschaufeln, die in Winkelabständen voneinander fest an der Vorderseite der Laufradscheibe angebracht sind, und von denen jede aus einem im wesentlichen in radialer Richtung der Laufradscheibe verlaufenden Radialteil und aus einem zentral an der Vorderseite des Radialteiles angeordneten Vorsatzteil besteht. Verdichter dieses Typs finden bevorzugt Verwendung als Ladegebläse für Verbrennungskraftmaschinen und Gasturbinen.

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Bei bekannten Laufrädern von Turboverdichtern für die genannten Einsatzgebiete ist jede Laufschaufel so ausgebildet und auf der Laufradscheibe angeordnet (s. Figuren 1-4 der beiliegenden Zeichnungen), daß die am Laufradaustritt erreichte theoretische Förderhöhe in ihrer axialen Verteilung über die Breite des Laufradaustrittes im wesentlichen konstant ist.

Aus verschiedenen Gründen ist jedoch der Druckverlust bei Turboverdichtern des betrachteten Typs an der Vorderseite des Laufradaustrittes größer als an der Rückseite. Als Folge davon ist die tatsächlich durch das Laufrad erreichbare Förderhöhe an der Vorderseite von dessen Austritt erheblich geringer, wodurch sich eine verminderte Gesamtförderhöhe für den Verdichter ergibt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter des eingangs beschriebenen Typs zu schaffen, der dem tatsächlich festgestellten Druckabfall an der Vorderseite bekannter Laufräder entgegenwirkt und zu einem merkbar verbesserten Betriebsverhalten des Verdichters führt. Das angestrebte Laufrad soll sich ferner leicht und billig herstellen und ohne irgendwelche weiteren Änderungen zum Austausch herkömmlicher Laufräder in vorhandene Verdichter einbauen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Laufrad zur Verwendung in den bezeichneten Verdichtern gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Winkel zwischen dem Radialteil jeder Laufschaufel und der Vorderseite der Laufradscheibe am inneren Ende des Radialteiles etwa 90° beträgt und von dort stetig zu dessen äußerem Ende hin abnimmt, an dem der Winkel etwa zwischen 50° und 70° beträgt, so daß der Radialteil jeder Laufschaufel in Drehrichtung der Laufradscheibe weitgehend vorwärtsgeneigt ist. Der sich an die Vorderseite jedes Radialteiles anschließende Vorsatzteil ist dabei jedoch noch stärker in Drehrichtung gegen die Laufradscheibe geneigt.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Laufrades sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Mit dem erfindungsgemäß verbesserten Laufrad, welches nach den angegebenen Konstruktionsmerkmalen ausgeführt ist, läßt sich an der Vorderseite des Laufradaustrittes eine größere Eulersche Förderhöhe erzielen als an der Rückseite. Die Verteilung des Druckabfalles des Verdichters ist dabei so, daß die tatsächliche Förderhöhe in axialer Richtung über die Breite des Laufradaustrittes konstant gehalten werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Kompressionsverhältnis und den Wirkungsgrad des Verdichters zu verbessern und die resultierende Förderhöhe zu vergrößern.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrades unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht im Ausschnitt eines herkömmlichen Laufrades für Turboverdichter, wobei der dargestellte Ausschnitt illustrativ für jede der Laufschaufeln eines bekannten Laufrades sein soll;

Fig. 2 einen Schnitt durch die bekannte Laufradschaufel entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht der bekannten Laufradschaufel, jedoch geschnitten entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 einen dritten Schnitt durch die bekannte Laufradschaufel entlang der Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der theoretischen Förderhöhenverteilung am Austritt des bekannten Laufrades in axialer Verteilung über die Breite des Laufrades;

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Fig.6 eine graphische Darstellung der Verteilung des Druckabfalles am Ausgang des bekannten Laufrades, ebenfalls über die Breite des Laufradaustrittes in axialer Richtung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der tatsächlichen Vorderhöhenvertellung am Austritt des bekannten Laufrades über die Breite des Laufradaustrittes in axialer Richtung;

Fig. 8 einen Axialschnitt eines erfindungsgemäß verbesserten Laufrades, welches in ein teilweise dargestelltes Verdichtergehäuse eingebaut ist;

Fig. 9 eine schematische Vorderansicht des erfindungsgemäß verbesserten Laufrades nach Fig. 8;

Fig. 10 einen Schnitt durch eine Laufschaufel des erfindungsgemäßen Laufrades entlang der Linie 10-10 in Fig. 9;

Fig. 11 eine ähnliche Ansicht der Laufschaufel, jedoch geschnitten entlang der Linie 11-11 in Fig. 9;

Fig. 12 einen dritten Schnitt durch die erfindungsgemäße Laufschaufel entlang der Linie 12-12 in Fig. 9;

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Verteilung der theoretischen Förderhöhe am Ausgang des erfindungsge mäßen Laufrades nach Figuren 8 und 9, und zwar in axialer Richtung über die Breite des Laufradaustrittes;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Verteilung der tatsächlich errreichten Förderhöhe am Austritt des erfindungsgemäßen Laufrades über die Breite des Laufradaustrittes in axialer Richtung; und

Fig. 15 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit des Verdichtungsgrades von dem Winkel zwischen dem Radialteil jeder Laufschaufel und der Vorderseite der Laufradscheibe zeigt.

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Es wird für das bessere Verständnis der Erfindung als unbedingt erforderlich angesehen, vor der Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine bekannte Laufradbeschaufelung zu zeigen und etwas eingehender zu beschreiben, auf der die vorliegende Erfindung aufbaut. In Fig. 1 ist eine solche bekannte Laufschaufel 20 gezeigt, wie sie in radialer Ausrichtung auf einer Laufradscheibe 22 angeordnet ist. Die Laufschaufel 20 besteht aus einem Radialteil 24 und einem Vorsatzteil 26.

Wie aus den in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigten Schnitten der Laufschaufel 20 hervorgeht, ist deren Radialteil 24 im wesentlichen über seine gesamte radiale Längenerstreckung auf der Laufradscheibe 22 rechtwinklig zu deren Oberfläche angeordnet. Der Vorsatzteil 26 ist in Richtung der Drehbewegung der Laufradscheibe nach vorne gebogen, wobei er einen verhältnismäßig großen Ubergangswinkel a mit dem Radialteil bildet.

Diese bekannte Ausbildung der Laufschaufeln führt zwar zu einer konstanten Verteilung der theoretischen Förderhöhe über die Breite des Laufradaustrittes in axialer Richtung, wie dies graphisch in Figur 5 dargestellt ist, der Turboverdichter dieses Typs unterliegt jedoch verschiedenen Druckverlusten, wie Beschaufelungsverlusten, Reibungsverlusten und Spaltverlusten. Der durch diese Verluste hervorgerufene resultierende Druckabfall ist an der Vorderseite des Laufradaustrittes höher als an dessen Rückseite, wie dies aus der graphischen Darstellung der Figur 6 hervorgeht.

Die graphische Darstellung der Figur 7 zeigt die Verteilung der tatsächlichen Förderhöhe in einer Tangentialebene an den Laufradaustritt. Die resultierende Förderhöhe des Verdichters wird durch die geringere örtliche Förderhöhe an der Vorderseite des Laufradaustrittes erheblich vermindert. Dieser Nachteil bekannter Laufradausführungen wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie nunmehr unter Bezugnahme auf die Figuren 8-5 beschrieben wird, vollständig überwunden.

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In Fig. 8 ist ein erfindungsgemäßes Laufrad 30 für einen Turboverdichter gezeigt, welches in ein Verdichtergehäuse 32 eingebaut ist. Das Verdichtergehäuse besitzt einen Vorderteil 34, der die Vorderseite des Laufrades 30 bedeckt und eine Ansaugöffnung umschließt, durch die das Gas, üblicherweise Luft, in den Verdichter eingesaugt wird.

Das Laufrad 30 besitzt eine Laufradscheibe 36, die aus einem Stück mit einer Nabe 38 hergestellt ist, welche koaxial mit der Laufradscheibe angeordnet ist und sich aus dieser heraus nach vorne erstreckt. Die Nabe 38 enthält eine axiale Bohrung 40 zur paßgenauen Aufnahme einer Antriebswelle 42, die mit einem (nicht gezeigten) Motor oder sonstigen Antriebsaggregat verbunden ist, mit welchem sich das Laufrad 30 in einer bestimmten Drehrichtung mit Bezug auf das Gehäuse 32 in Rotation versetzen läßt.

Wie sowohl aus Fig. 8 als auch aus Fig. 9 hervorgeht, ist eine Mehrzahl von Laufschaufeln 44 und Hilfsschaufeln 46 unter gleichbleibenden Winkelabständen in radialer Ausrichtung in abwechselnder Reihenfolge auf der Vorderseite 48 der Laufradscheibe 36 einschließlich der Nabe 38 fest angebracht. Eine Betrachtung der Fig.8 läßt erkennen, daß keine genaue Grenze zwischen der Laufradscheibe 36 und der Nabe 38 besteht, so daß zum Zwecke der Beschreibung im folgenden davon ausgegangen wird, daß die Laufschaufel 44 und die Hilfsschaufel 46 auf der Vorderseite der Laufradscheibe befestigt sind, obwohl die Schaufeln genaugenommen auch teilweise am Umfang der Nabe befestigt sind. Die dargestellte Ausbildung der Laufradscheibe 36 zusammen mit der Nabe 38 ist an sich bekannt.

Jede Laufschaufel 44 besteht in einteiliger Ausbildung aus einem Radialteil 50, der im wesentlichen in radialer Richtung der Laufradscheibe verläuft, und aus einem zentral sich an die Vorderseite des Radialteiles 50 anschließenden Vorsatzteil 52.

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Die Laufschaufel 44 ist fast durchgehend in Bezug auf die Drehrichtung des Laufrades 30 nach vorne geneigt.

Aus den geschnittenen Darstellungender Figuren 10 bis 12 geht hervor, daß der Winkel b zwischen dem Radialteil 50 jeder Laufschaufel 44 und der Vorderseite 48 der Laufradscheibe 36 am inneren Ende des Radialteiles ungefähr 90°, allgemein sogar etwas weniger als 90° beträgt und zum äußeren Ende des Radialteiles am Umfang der Laufradscheibe hin langsam abnimmt. An diesem äußeren Ende besitzt der Winkel b einen Wert im Bereich von etwa 50 ° bis ungefähr 70°. Die Gründe hierfür werden im folgenden erläutert.

Da der Radialteil 50 jeder Laufschaufel 44, wie oben erwähnt, in Drehrichtung des Laufrades vorwärts geneigt ist, erstreckt sich der Radialteil in einer Projektion auf die Laufradscheibe, wie aus Fig. 9 hervorgeht, über einen Winkel c, der von dem Winkel b am äußeren Ende des Radialteiles abhängt. Dieser projizierte Erstreckungswinkel c des Radialteiles beträgt vorzugsweise etwa 14°, wenn der Winkel b am äußeren Ende des Radialteiles 50° beträgt; etwa 10°, wenn der Winkel b 60° beträgt; und etwa 6°, wenn der Winkel b 70° beträgt.

Der Vorsatzteil 52 jeder Laufschaufel 44 ist in identischer Ausbildung dargestellt wie der Vorwärtsteil 26 des herkömmlichen Laufrades 20 der Fig. 1 und ist in gleicher Weise vom Radialteil 50 ausgehend in Drehrichtung des Laufrades nach vorne abgewinkelt. Der Erstreckungswinkel b für die Projektion des Vorsatzteiles 52 auf die Ebene der Laufradscheibe, wie er in Fig. 9 eingezeichnet ist, beträgt etwa 30°.

Wie ferner aus einem Vergleich zwischen den Figuren 3 und 11 hervorgeht, ist der Vorsatzteil 52 der erfindungsgemäßen Laufschaufel 44 im wesentlichen mit gleichem Neigungswinkel zur Vorderseite

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der Laufradscheibe 36 angeordnet wie der Vorsatzteil 26 der herkömmlichen Laufschaufel 20. Da jedoch auch der Radialteil 50 der Laufschaufel 44 über den größten Teil seiner Erstreckung mehr oder weniger in Drehrichtung des Laufrades geneigt ist, ist der oben erwähnte Ubergangswinkel a zwischen dem Radialteil und dem Vorsatzteil der erfindungsgemäßen Ausführung beträchtlich kleiner als bei der bekannten Laufschaufel 20, wodurch sich geringere Druckverluste ergeben.

Die in radialer Ausrichtung auf der Vorderseite 48 der Laufradscheibe zwischen den Lauf schaufeln, 44 angeordneten Hilf sschaufeln 46 sollen der Erhöhung der vom Verdichter durchgesetzten Fördermenge dienen und sind jede für sich genauso gestaltet und bemessen wie der Radialteil 50 jeder der Laufschaufeln 44. Das heißt, daß jede der Hilfsschaufeln 46 so wie der Radialteil 50 jeder Laufschaufel 4 4 an ihrem inneren Ende in einem Winkel von 90° oder etwas weniger zur Oberseite 48 der Laufradscheibe ausgerichtet ist. Dieser Winkel nimmt zum äußeren Ende der Hilfsschaufel hin stetig ab, wo er einen Wert im Bereich von etwa bis 70° einnimmt.

Bei der erfindungsgemäß verbesserten Ausführung des Laufrades 30 für einen Turboverdichter ergibt sich am Laufradaustritt 54 an dessen Vorderseite eine höhere theoretische Förderhöhe als an der Rückseite, wie es aus der graphischen Darstellung der Fig. hervorgeht. Da sich bei den betrachteten Verdichtern eine Verteilung des Druckverlustes ergibt, wie sie weiter oben in Verbindung mit der Fig. 6 erläutert wurde, stellt sich in Richtung der Antriebswelle 41 am Laufradaustritt tatsächlich eine konstante Förderhöhenverteilung ein, wie sie in Fig. 14 aufgetragen ist. Daraus ergibt sich ein Anstieg in der resultierenden Förderhöhe des Verdichters sowie eine damit einhergehende Verbesserung im Verdichtungsverhältnis und im Wirkungsgrad.

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Für den Entwurf einer Laufradbeschaufelung für einen vorhandenen Turboverdichter nach der Lehre der vorliegenden Erfindung mißt man zweckmäßigerweise zuerst die tatsächliche Verteilung der Förderhöhe über die Breite des Laufradaustrittes. Aus diesen Meßergebnissen läßt sich der Druckabfall an der Vorderseite des Laufradaustrittes errechnen.

Allgemein kann gesagt werden, daß sich das höchste Kompressionsverhältnis einstellt, wenn der Winkel b zwischen dem Radialteil 50 jeder Laufschaufel und der Oberfläche 48 der Laufradscheibe am äußeren Ende der Laufschaufel in einem Bereich von etwa 50° bis etwa 70°, vorzugsweise jedoch zu etwa 60° gewählt wird. Dies geht aus der graphischen Darstellung der Fig. 15 hervor, in der die Größe K das Verhältnis zwischen dem Kompressionsgrad bei veränderlichem Winkel b am Ende jeder Laufschaufel zum Kompressionsgrad bei einem entsprechenden Winkel b von 90° wiedergibt.

Abweichungen von der beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform sind im Rahmen der Erfindung möglich. So ist es beispielsweise nicht unbedingt erforderlich, die Hilfsschaufein 46 vorzusehen.

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Leerseite

Claims

Dr. Joachim Rasper K0M 27 Patentanwalt r αλλ Wiesboden 2744366 ei«not!ie.- Hins 22 '·!. Jt 2? ■*·> KABUSHIKI KAISHA KOMATSU SEISAKUSHO Tokio, Japan Patentansprüche;

1.) Laufrad für einen radialen Turboverdichter mit einer mit einem Nabenabschnitt versehenen Laufradscheibe und einer Mehrzahl von Laufschaufeln, die in Winkelabständen voneinander fest an der Vorderseite der Laufradscheibe angebracht sind und von denen jede aus einem im wesentlichen in radialer Richtung der Laufradscheibe verlaufenden Radialteil und aus einem zentral an der Vorderseite des Radialteiles angeordneten Vorsatzteil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (b) zwischen dem Radialteil (50) jeder Laufradschaufel (44) und der Vorderseite (48) der Laufradscheibe (36) am inneren Ende des Radialteiles (50) etwa 90° beträgt und von dort stetig zu dessen äußerem Ende hin abnimmt, an dem der Winkel (b) etwa zwischen 50° und 70° beträgt, so daß der Radialteil (50) jeder Laufschaufel (44)

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in Drehrichtung der Laufradscheibe (36) weitgehend vorwärts geneigt ist, wobei der Vorsatzteil (52) jeder Laufschaufel (44) von dem Radialteil (50) ausgehend noch stärker in Drehrichtung gegen die Laufradscheibe (36) geneigt ist.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Ebene der Laufradscheibe (36) projizierte Erstreckungswinkel (c) des Radialteiles (50) jeder Laufradschaufel (44) etwa zwischen 6° und 14° beträgt.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Ebene der Laufradscheibe projizierte Erstreckungswinkel (d) des Vorsatzteiles (52) jeder Laufschaufel (44) etwa 30° beträgt.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Mehrzahl von Hilfsschaufeln (46) vorgesehen ist, die in radialer Anordnung in abwechselnder Folge mit den Laufschaufeln (44) auf der Vorderseite (48) der Laufradscheibe (36) fest angebracht sind.

5. Laufrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsschaufeln (46) im wesentlichen die gleiche Gestalt und Größe sowie den gleichen Verlauf des Neigungswinkels (b) in Bezug auf die Laufradscheibe (36) wie die Radialteile (50) der Laufschaufeln (44) aufweisen.