DE2744366C2

DE2744366C2 - Radiallaufrad für einen Turboverdichter

Info

Publication number: DE2744366C2
Application number: DE2744366A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Oyama Tochigiki Ishihara
Original assignee: KOMATSU SEISAKUSHO TOKYO JP KK
Current assignee: KOMATSU SEISAKUSHO TOKYO JP KK
Priority date: 1977-04-04
Filing date: 1977-10-01
Publication date: 1983-12-15
Also published as: US4167369A; FR2386708B1; JPS53122906A; GB1587213A; DE2744366A1; FR2386708A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Radiallaufrad für einen Turboverdichter mit einer Tragscheibe und Laufradschaufeln, die aus einem in radialer Richtung der Tragscheibe verlaufenden Radialteü und aus einem zentral an der Einlaufseite des Radialteils angeordneten Vorsatzteil bestehen, wobei das Radialteü in Drehrichtung des Laufrades nach vorwärts gegen die Tragscheibe geneigt und das Vorsatzteil noch stärker als das Radialteü in Drehrichtung gegen die Tragscheibe geneigt ist.

Ein derartiges Radiallaufrad, das bevorzugt als Ladegebläse für Verbrennungskraftmaschinen und Gasturbinen verwendet wird, ist bereits bekannt (GB-PS 5 87 514). Bei dem bekannten Radiallaufrad ist eine gleichbleibende Vorwärtsneigung des Radialteils Über seine gesamte radiale Länge gegenüber der Tragscheibe vorgesehen. Durch die Schaufelneigung soll eine glatte Strömung entlang der Schaufel und eine einfache Fertigbearbeitung mit einem Kantenfräser erzielt werden, dessen Achse gegenüber der Laufradachse und der Tragscheibe sowie gegenüber dem Laufradradius an der Bearbeitungsstelle geneigt ist.

Die Schaufeln des bekannten Radiallaufracies sind so ausgebildet und angeordnet, 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 einem entsprechenden Turboverdichter an der Vorderseite des Laufradaustrittes größer als an der Rückseite. Als Folge davon ist die tatsächliche Förderhöhe an der Vorderseite des Austritts erheblich geringer als an der Rückseite des Austritts. Diese ungleichmäßige Verteilung der tatsächlichen Förderhöhe führt zu einer unterhalb der maximal ίο erreichbaren tatsächlichen Förderhöhe liegenden Gesamtförderhöhe, was die Leistung des Turboverdichters nachteilig beeinflußt

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe

zugrunde, das Radiallaufrad der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß dem festgestellten Druckabfall an der Vorderseite des Laufrads entgegengewirkt und dadurch ein verbessertes Betriebsverhalten mit einer vergrößerten Gesamtförderhöhe bzw. einem erhöhten Kompressionsverhältnis erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Neigungswinkel zwischen dem Radialteü jeder Laufschaufel und der Tragscheibe am radial inneren Ende des Radialteils etwa 90° beträgt und von dort stetig bis zu dessen radial äußerem Ende auf 70° bis 50° abnimmt

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen

ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei sind die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 an sich bekannt (TRANSACTIONS OFTHE ASME, Juli 1953, S. 805 bis 817).

Mit dem in der vorgenannten Weise ausgebildeten Radiallaufrad läßt sich an der Vorderseite des Laufradaustrittes eine größere Eulersche Förderhöhe erzielen als an der Rückseite. Bei dieser Verteilung des Druckabfalls kann die tatsächliche Förderhöhe in axialer Richtung über die Breite des Laufradaustrittes im wesentlichen konstant gehalten werden. Es ist ersichtlich, daß auf diese Weise das Kompressionsverhältnis und der Wirkungsgrad verbessert sowie die resultierende Gesamtförderhöhe vergrößert werden können. Außerdem ist ein entsprechendes Radiallaufrad leicht und billig herzustellen und kann ohne weitere Änderungen im Austausch gegen ein herkömmliches Radiallaufrad in einen Verdichter eingebaut werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Radiallaufrad in einem Axialschnitt mit einem Teil der Antriebswelle und des Verdichtergehäuses,

Fig.2 das Laufrad gemäß Fig. 1 in einer Vorderansicht,

Fig.3 einen Schnitt durch eine Laufschaufel längs Linie 10-10 in Fig. 2,
F i g. 4 einen Schnitt längs Linie 11 -11 in F i g. 2,

F i g. 5 einen Schnitt längs Linie 12-12 in F i g. 2,

F ι g. 6 ein graphische Darstellung der Verteilung der theoretischen Förderhöhe über die axiale Breite des Laufradaustritts,

F ί g. 7 eine graphische Darstellung der Verteilung der tatsächlich erreichten Förderhöhe über die axiale Breite des Laufradaustritts und

F i g. 8 eine graphische Darstellung des Verdichtungsgrades in Abhängigkeit vom radial außen gemessenen bi Winkel zwischen dem Radialteü der Schaufeln und der Tragscheibe.

Gemäß Fig. 1 ist ein Radiallaufrad 30 für einen Turboverdichter in ein Verdichtergehäuse 32 mit einem

vorderen Gehäuseteil 34 eingebaut, 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 weist eine Tragscheibe 36 mit einer koaxialen Nabe 38 auf, die sich aus der Tragscheibe heraus nach vorne erstreckt. Die axiale Bohrung 40 der Nabe 38 nimmt eine Antriebswelle 42 auf, die mit einem (nicht gezeigten) Motor verbunden ist, der das Laufrad 30 in einer vorgegebenen Drehrichtung gegenüber dem Gehäuse32 in Drehung versetzt.

Sowohl aus F i g. 1 wie aus F i g. 2 ist zu ersehen, daß eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 44 und Hilfsschaufel 40 in abwechselnder Reihenfolge mit gleichbleibender WinJcelabständen in radialer Ausrichtung auf der Vorderseite 48 der Tragscheibe 36 einschließlich der Nabe 38 fest angebracht sind. Dabei besteht gemäß Fig. 1 zwischen der Tragscheibe 36 und der Nabe 38 keine genaue Grenze. Die Aussage, daß die Laufradschaufeln 44 und die Hilfsschaufel 46 auf der Vorderseite der Tragscheibe 36 befestigt sind, schließt eine teilweise Befestigung der Schaufeln am Umfang der Nabe 38 mit ein.

Jede Laufradschaufel 44 ist einstückig aas einem Radialteiil 50, der im wesentlichen in radialer Richtung der Tragscheibe 36 verläuft, und aus einem Vorsatzteil 52, der sich im zentralen bzw. radial inneren Bereich an die Vorderseite des Radialteils 50 anschließt Dabei ist die Laufradschaufel 44 fast durchgehend in Drehrichtung des Laufrades nach vorwärts gegen die Tragscheibe 36 geneigt.

Aus den F i g. 3 bis 5 geht hervor, daß der Winkel b zwischen dem Radialteil 50 jeder Laufradschaufel 44 und der Vorderseite 48 der Tragscheibe 36 am inneren Ende des Radialteils 50 ungefähr 90°, aligemein etwas weniger als 90°, beträgt und zum äußeren Ende des Radialteils 50 am Umfang der Tragscheibe 36 hin langsam abnimmt. An diesem äußeren Ende besitzt der Winkel b pinen Wert im Bereich zwischen 50° und 70°. Der Grund für diese Neigung bzw. stetige Neigungsänderung wird nachfolgend erläutert.

Die Vorwärtsneigung des Radialteils 50 jeder Laufradschaufel 44 erstreckt sich in einer Projektion auf die Tragscheibe 36 über einen auf die Laufradachse bezogenen Winkel c, der vom Winkel b am äußeren Ende des Radialteils 50 abhängt. Dieser projizier'e Erstreckungswinkel c des Radialteils 50 beträgt vorzugsweise etwa 14°, wenn der Winkel b am äußeren Ende des Radialteils 50 50° beträgt, etwa 10°, wenn der Winkel b 60° beträgt und etwa 6°, wenn der Winkel b 70° beträgt.

Der Vorsatzteil 52 einer jeden Laufradschaufel 44 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet und gleichfalls vom Radialteil 50 ausgehend in Drehrichtung des Laufrades 30 nach vorwärts abgewinkelt. Der Erstreckungswinkel d für die Projektion des Vorsatzteils 52 auf die Tragscheibe 36 ist in F i g. 2 eingezeichnet und beträgt etwa 30°.

Obwohl gemäß Fig.4 der Vorsatzteil 52 eine vergleichsweise starke Neigung gegenüber der Vorder- > seite 48 der Tragscheibe 36 aufweist, ist der Übergangswinkel a zwischen dem Radialteil 50 und dem Vorsatzxeil 52 vergleichsweise gering, da der Radialteil 50 bereits selbst um den Winkel b gegenüber der Tragscheibe 36 nach vorwärts geneigt ist Der

in vergleichsweise kleine Übergangswinkel a hat einen entsprechend geringen Druckverlust zur Folge.

Die in radialer Ausrichtung auf der Vorderseite 48 der Tragscheibe 36 zwischen den Laufradschaufeln 44 angeordneten Hilfsschaufel 46 sollen die Fördermenge

is des Verdichters erhöhen. Jede Hilfsschaufel 46 ist für sich genauso gestaltet und bemessen wie der Radialteil 50 der Laufschaufeln. Das heißt, daß jede der Hilfsschaufel 46 an ihrem inneren Ende in einem Winkel von 90° oder etwas weniger zur Oberseite 48 der Tragscheibe 36 ausgerichtf.f. ist. Dieser Winkel nimmt zum äußeren Ende der Hilfsschaufel 46 stetig bis auf einen Wert im Bereich von 50° bis 70° ab.

Infolge der vorstehend beschriebenen Ausbildung des Radiallaufrads 30 ergibt sich am Laufradaustritt 54 an dessen Vorderseite eine größere theoretische Förderhöhe als an der Rückseite, was in F i g. 6 dargestellt ist. Da jedoch der Druckverlust ebenfalls in axialer Richtung gesehen über dem Laufradaustritt variiert und an der Vorderseite des Laufradaustritts seinen höchsten

jo We" und an der Rückseite seinen niedrigsten Wert aufweist, ergibt sich eine im wesentlichen konstante tatsächliche Förderhöhe in axialer Richtung über dem Laufradaustritt 54, wie es in F i g. 7 dargestellt ist. Diese gleichmäßige Verteilung der tatsächlichen Förderhöhe über dem Laufradaustritt 54 bedeutet eine Verbesserung im Verdichtungsverhältnis und im Wirkungsgrad des Verdichters.

Um eine richtige Laufradbeschaufelung im iimne der vorstehenden Darlegungen zu erhalten, mißt man

4n zweckmäßigerweise zuerst die tatsächliche Verteilung der Förderhöhe über der axialen Breite des Laufradaustritts. Aus den Meßergebnissen läßt sich dann der Druckabfall an der Vorderseite des Laufradaustritts errechnen.

Allgemein kann gesagt werden, daß sich das höchste Kompressionsverhältnis einstellt, wenn der Winkel b zwischen dem Radialteil 50 jeder Laufradschaufel 44 und der Oberfläche 48 der Tragscheibe 36 am äußeren Ende der Schaufel in einem Bereich von 50° bis 70°, vorzugsweise etwa 60°, gewählt wird Dieses geht aus der Darstellung in F i g. 8 hervor, in der das Verhältnis K zwischen dem Kompressionsgrad bei veränderlichem Wi./kel b am Ende der Laufradschaufel 44 zum Kompressionsgrad bei einem Winkel b von 90° eingetragen ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radiallaufrad für einen Turboverdichter mit einer Tragscheibe und Laufradschaufeln, die aus einem in radialer Richtung der Tragscheibe verlaufenden Radialteil und aus einem zentral an der Einlaufseite des Radialteils angeordneten Vorsatzteil bestehen, wobei das Radialteil in Drehrichtung des Laufrades nach vorwärts gegen die Tragscheibe geneigt und das Vorsatzteil noch stärker als das Radialteü in Drehrichtung gegen die Tragscheibe geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel inzwischen dem Radialteü (50) jeder Laufschaufel (44) und der Tragscheibe (36) am radial inneren Ende des Radialteils etwa 90° beträgt und von dort stetig bis zu dessen radial äußerem Ende auf 70° bis 50° abnimmt.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der iuf die Ebene der Laufradscheibe (36) projizicrte Erstreckungswinkel (el 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 projezierte 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 Huf-Schaufeln (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,da>_drch 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.