EP1788255A1 - Impeller of radial compressor - Google Patents

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Publication number
EP1788255A1
EP1788255A1 EP05025048A EP05025048A EP1788255A1 EP 1788255 A1 EP1788255 A1 EP 1788255A1 EP 05025048 A EP05025048 A EP 05025048A EP 05025048 A EP05025048 A EP 05025048A EP 1788255 A1 EP1788255 A1 EP 1788255A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
curved
blades
edge
compressor impeller
radial compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05025048A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lars Schlüter
Theodor Dr. Wallmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05025048A priority Critical patent/EP1788255A1/en
Priority to EP06807648A priority patent/EP1948939B1/en
Priority to CN200680042871.3A priority patent/CN101310112B/en
Priority to DE502006005551T priority patent/DE502006005551D1/en
Priority to US12/084,920 priority patent/US8277187B2/en
Priority to PCT/EP2006/067919 priority patent/WO2007057292A1/en
Priority to AT06807648T priority patent/ATE450712T1/en
Priority to ES06807648T priority patent/ES2336371T3/en
Publication of EP1788255A1 publication Critical patent/EP1788255A1/en
Priority to NO20082659A priority patent/NO338811B1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/30—Vanes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/4932—Turbomachine making
    • Y10T29/49321—Assembling individual fluid flow interacting members, e.g., blades, vanes, buckets, on rotary support member

Definitions

  • the invention relates to a radial compressor impeller, comprising a wheel disc and evenly arranged in the circumferential direction blades with an inlet edge and a trailing edge.
  • Radial compressors convert mechanical energy into pressure energy by exploiting centrifugal acceleration.
  • Radial compressors consist essentially of an impeller which is mounted on a driving shaft, a diffuser and a housing.
  • the impeller has a plurality of curved blades.
  • the mechanical design of the impeller takes place in the manner of a closed or semi-open impeller.
  • the blades With closed impellers, the blades are provided with a cover disk, with half-open wheels, the blades have a free outer edge.
  • the conveying gas is sucked in axially approximately in the center of the compressor and compressed by the centrifugal force, supported also by the curved shape of the blades, and accelerated to the outside.
  • the kinetic energy is largely converted into additional pressure and the delivery gas is further compressed.
  • centrifugal compressors have a curved characteristic.
  • a stable characteristic is sought, which is characterized by an increasing delivery pressure at a decreasing flow rate.
  • the operating range of a centrifugal compressor is limited by the so-called pump limit. This is generally the point of the characteristic with the smallest flow. Beyond the surge line, the centrifugal compressor no longer be used, because the flow dissolves from the blades and a stable operation is no longer guaranteed.
  • centrifugal compressor impeller according to the preamble is known.
  • the blades of this impeller are provided with through holes through which the conveying gas is supplied from a convex blade pressure side to a concave blade suction side, so that the vortices formed on the blade suction side at low flow rates and high pressure ratios, are transported away.
  • the invention has for its object to provide a centrifugal compressor impeller, which allows an increased stable operating range with high efficiency. Furthermore, the invention has for its object to provide a manufacturing method for such a centrifugal compressor impeller.
  • the first object is achieved by a radial compressor impeller consisting of a wheel disc and uniformly arranged in the circumferential direction blades.
  • the blades have an entry edge and an exit edge, wherein at least a portion of the surface of the blades is a double curved portion, the generatrix of which is formed as a curved line, and the curved portion perpendicular to the generatrix is also curved.
  • the surface in the curved portion is formed double-curved, ie, starting from a point on the surface of the curved portion, the surface extends in two surface-spanning directions curved. All lines passing through this point are therefore curved and not formed as a straight line.
  • the curved section is characterized overall by the fact that all lines - including the generatrix - are curved on the surface in this subarea. This area thus forms a so-called sculptured surface.
  • generatrix is understood to mean a line which is part of the surface in a direction spanning the surface (for example the x direction), that is to say has the course of the surface in this direction and defines it.
  • the surface is formed and defined by movement or displacement of the generatrices in a second direction, not parallel to the generatrix (for example y-direction, perpendicular to the x-direction).
  • the generator does not necessarily have to be static, but it can change in dependence on the position of the generators in the second direction.
  • the advantage of the invention is to be seen in particular in that a double-curved surface is better adapted to the three-dimensional development of the flow and thus results in an improved flow behavior.
  • the stable flow behavior in turn leads to the stabilization of the compressor characteristic and to increase the efficiency of the centrifugal compressor.
  • blade surfaces of centrifugal compressor impellers are nowadays often defined by means of rectilinear generators.
  • rule surfaces ruled surfaces
  • rule surface lines For the production of these surfaces is usually resorted to a machining in flank milling process (flank milling) by means of cylindrical or conical roller mill. In this case, the milling cutter is brought into engagement so that its ideal surface line in the cutting area is oriented parallel to the respective straight line straight line of the blade surface.
  • a further subregion of the surface of the blades is designed as a ruled-surface subregion whose generatrix is a straight line.
  • This subarea thus forms a ruled surface, so that at least one straight line runs through each point of this subarea.
  • transition from the double-curved to the ruled-surface partial area is preferably continuous. So there are no kinks or edges between these two parts. The transition between these two subareas is rounded. This ensures that no turbulence is generated by separation of the flow due to surface irregularities.
  • the vanes have a hub edge and an approximately opposite outer edge, wherein the double-curved portion adjacent to the outer edge and the ruled surface portion of the hub edge.
  • the hub edge is adjacent to a hub of the wheel disc edge, so it is located in the lower part of the blade.
  • the outer edge is approximately opposite the hub edge. It is designed as a free edge on half-open wheels. With closed wheels it adjoins the cover disc.
  • the outer edge, hub edge, leading edge and trailing edge define the blade, wherein the outer edge and the hub edge each connect the leading edge to the trailing edge.
  • the double curved portion and / or the ruled portion extends from the leading edge to the trailing edge.
  • the double-curved partial area and the regular-area partial area are approximately the same size.
  • the surface of the blades has a plurality of double curved portions.
  • the surface is composed of a plurality of double-curved and ruled-surface portions that are alternately arranged, thereby improving the aerodynamic properties of the blade.
  • a further advantageous embodiment is achieved in that, adjacent to the hub edge and to the outer edge, a double-curved partial region is provided, between which a ruled-surface partial region is arranged.
  • An efficient deflection of the flow with reduced risk of tearing is achieved according to a particularly preferred embodiment in that the entire surface of the blades is doubly curved, that is completely formed by a curved generatrix.
  • the blades are preferably designed such that the curvature of the generatrix changes from the leading edge toward the trailing edge. This means that the generatrix of the double-curved section which extends in the transverse direction of the blades has a curvature which varies in the longitudinal direction of the blade.
  • the wheel disc, the blades and possibly the cover disc form separate units.
  • the individual elements of the impeller can be manufactured separately and joined together later, so that a high number of degrees of freedom, in particular for the design of the blades is ensured.
  • the object is further achieved by a method for producing a centrifugal compressor impeller, which consists of a wheel disc and evenly in the circumferential direction arranged blades, wherein the surface of the blades is at least partially made by point milling by means of a Kugelkopf- or radius cutter.
  • a manufacturing process is not applicable in which the cutter contacts the blade surface linearly, as is the case, for example, with the usual use of a roll mill.
  • the design of the double curved sections requires a selective contact of the cutter with the blade surface, which ensures additional degrees of freedom in the manufacture of the blades. This point contact occurs during face milling. Accordingly, a high number of milling paths is provided in order to achieve a sufficiently high surface quality. By face milling, in particular the entire blade surface, even in the ruled area sub-area, can be designed.
  • FIG. 1 a single-flow (conveying gas supply only from one side) and single-stage working radial compressor 2 is shown.
  • the centrifugal compressor 2 comprises an impeller 4, a rotatable in the direction of rotation D shaft 6, on which the impeller 4 is mounted and which defines an axial direction A and a diffuser 8 and a cover plate 10.
  • the impeller 4 consists of a wheel disc 12 and a plurality of over the circumference arranged blades 14.
  • a conveying gas is sucked in axially in the region of the shaft 6 and accelerated radially outwardly via the channels formed between the blades by the centrifugal force. This is indicated by the arrows F, which indicate the flow direction of the conveying gas.
  • both the speed and the pressure of the delivery gas increases.
  • the flow is slowed down, resulting in a further increase in the pressure of the delivery gas.
  • the conveying gas leaves the centrifugal compressor again in the axial direction.
  • the aerodynamic geometry of the blades 14 contributes to the correct energy conversion.
  • This geometry is shown for example in FIG 2a and 2b, which show a side view and a plan view of a first embodiment of the blades 14.
  • the blade 14 has an entry edge 16. At the other end in the longitudinal direction of the blade 14 is an exit edge 18, which is oriented in the mounted state to the diffuser 8.
  • the blade 14 In a closed impeller 2, the blade 14 is provided with the cover plate 10, in a semi-open impeller, the blade 14 has a free trailing edge 18.
  • a hub edge 20 of the blade 14 extends over the surface of the wheel disc 12 and abuts directly on this in a hub region.
  • the blade 14 has an outer edge 22.
  • the generatrix 24 of the vane surface leading with respect to the direction of rotation D is convexly curved.
  • the surface of the blades 14 is defined by a respective generatrix 24. This extends in the transverse direction of the blade 14, i. From the hub edge 20 to the outer edge 22. In the longitudinal direction of the blade 14, ie in the direction of the leading edge 16 to the trailing edge 18, the generator 24 changes. Viewed differently, the entire surface is composed of a plurality of infinitesimal sub-surfaces, each are defined by different static generators.
  • the surface is divided into a double-curved portion 26 and a ruled-surface portions 28.
  • the double curved portion 26 abuts the outer edge 22 and extends longitudinally from the leading edge 16 to the trailing edge 18.
  • the ruled portion 28 abuts the hub edge 20 and also extends like the double curved portion 26 along the entire blade 14. Die two sections 26, 28 form a continuous transition between them, so that the surface of the blade 14 has no edges, grooves or protrusions, which could have a negative influence on the development of the flow.
  • the generator 24 is also subdivided into a curved region 24a and a control surface region 24b, which merge smoothly into one another.
  • the shape of the blade 14 is adapted to the flow requirements with regard to the stabilization of the flow.
  • the complex geometry of the blades 14 requires a manufacturing method that ensures degrees of freedom in all three spatial directions in making the double curved portion 26.
  • Particularly suitable in this case is the use of a face milling cutter, which can produce curved planes with different directions of curvature and radii of curvature through the point contact with the surface of the blade 14.
  • FIG. 3a and FIG. 3b A further embodiment of the blade 14 is shown in FIG. 3a and FIG. 3b.
  • the blade 14 has for its entire surface a curved generatrix 24a which extends from the leading edge 16 to the trailing edge 18 and is oriented concavely to the flow direction F of the conveying gas. It can also be seen from FIGS. 3 a and 3 b that the curvature profile of the generatrix 24 a changes in the flow direction F from the inlet edge 16 to the outlet edge 28. In the side view in FIG. 3 a, the blade has a convexly curved leading edge 16.
  • the generatrix 24 of the blade surface leading in relation to the direction of rotation D is concavely curved.
  • a double-curved partial region 26 and a ruled-surface partial region 28 are provided here.
  • the double curved portion 26 in this case forms about 1/3 of the entire surface.
  • a further preferred embodiment of the blades 14 is illustrated, namely a in the side view in FIG 4a is a concave curved edge 16, which improves the aerodynamic properties of the blade 14.
  • the blade 14 has two double-curved portions 26 which adjoin the hub edge 20 and the outer edge 22 and between which a ruled-surface portion 28 is arranged. This is shown in FIG. 5a and FIG. 5b. Here, the leading edge 16 is formed curved again. The individual subregions 26, 28 are approximately the same size.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 6a and 6b is essentially a combination of the exemplary embodiments according to FIGS. 4a, 4b and FIGS. 5a, 5b.
  • the generator 24 is composed of two oppositely curved regions 24a, which are connected to one another via a control surface region 24b. Therefore, there are also two edge-side, double-curved partial regions 26 as well as a ruled-surface partial region 28 arranged therebetween.
  • the double-curved partial area 26 illustrated in the figures covers in each case a large surface area of the blade surface of-depending on the exemplary embodiment-20% to 60% of the total surface area. Only in the exemplary embodiment according to FIGS. 3a, 3b does the curved partial region 26 form 100% or nearly 100% of the total surface.
  • the partial regions 26, 28 are only roughly indicated in the figures by the dashed line. Since the curvature changes in the longitudinal direction of the blade 14, there is the possibility that within the illustrated subregions 26 in limited sections, the generatrix is not curved but is a line. This may occur, for example, when the curvature within a portion 26 is changed from convex to concave.
  • the operating behavior of the radial compressor 2 for a certain speed is described qualitatively with reference to the diagram in FIG. 7 by a compressor characteristic curve VK.
  • VK the pressure ratio p P 0 represented by the flow rate V ⁇ , where p is the discharge pressure at the outlet of the compressor 2 and P 0, the intake pressure at the leading edge 16.
  • the characteristic VK is limited on the left side by the surge limit S. There, the flow dissolves at too small flow rates and high pressure ratios of the blades 14.
  • the point on the characteristic curve VK in which this happens is the tear-off point W.
  • the operating point B of the radial compressor 2 is the point of intersection of the compressor characteristic curve VK with a system characteristic curve AK. As a rule, B moves on the compressor characteristic curve VK depending on the system parameters.
  • the compressor characteristic VK 'and the associated tear-off point W' and surge limit S 'of a conventional centrifugal compressor are indicated. Thanks to the improved aerodynamics of the blades 14, the slope of the characteristic curve VK in the direction of the surge limit is steeper. As a result, the operating point B is at higher pressure ratios than the operating point B 'of a conventional centrifugal compressor, when the two compressors deliver about the same amount of conveying gas, so that a higher efficiency of the centrifugal compressor 2 is achieved.
  • a further improvement of the compressor characteristics is the displacement of the tear-off point W to lower volume flows V ⁇ than the tear-off point W 'of a conventional centrifugal compressor.
  • the flow behavior of the delivery gas is stabilized and the centrifugal compressor 2 works at low flow rates V ⁇ still flawless and safe.

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Abstract

The impeller has a wheel disc (12) and blades (14) with a leading edge (16) and a trailing edge (18) that are arranged in a circumferential direction. A partial area of a surface of the blades is a dual-curved partial area (26), whose generatrix (24a) is formed as curved lines, where the partial area is curved perpendicular to the generatrix. A transfer of the dual curved partial area is continuous to a standard surface partial area (28). The blades have a hub edge (20) and an outer edge (22), where the partial areas (26, 28) abut at the outer edge and the hub edge, respectively. An independent claim is also included for a method for manufacturing a radial compressor impeller.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialverdichter-Laufrad, bestehend aus einer Radscheibe und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln mit einer Eintrittskante und einer Austrittskante.The invention relates to a radial compressor impeller, comprising a wheel disc and evenly arranged in the circumferential direction blades with an inlet edge and a trailing edge.

Radialverdichter wandeln mechanische Energie in Druckenergie um, indem sie die Zentrifugalbeschleunigung ausnutzen. Radialverdichter bestehen im Wesentlichen aus einem Laufrad, welches auf einer antreibenden Welle befestigt ist, einem Diffusor und einem Gehäuse. Das Laufrad weist eine Mehrzahl von gekrümmten Schaufeln auf. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck erfolgt die mechanische Ausführung des Laufrades nach Art eines geschlossenen oder eines halboffenen Laufrads. Bei geschlossenen Laufrädern sind die Schaufeln mit einer Deckscheibe versehen, bei halboffenen Laufrädern weisen die Schaufeln eine freie Außenkante auf.Radial compressors convert mechanical energy into pressure energy by exploiting centrifugal acceleration. Radial compressors consist essentially of an impeller which is mounted on a driving shaft, a diffuser and a housing. The impeller has a plurality of curved blades. Depending on the intended use, the mechanical design of the impeller takes place in the manner of a closed or semi-open impeller. With closed impellers, the blades are provided with a cover disk, with half-open wheels, the blades have a free outer edge.

Das Fördergas wird etwa im Zentrum des Verdichters axial angesaugt und durch die Fliehkraft, unterstützt auch durch die geschwungene Form der Schaufeln, verdichtet und nach außen beschleunigt. Im umfangsseitig angeordneten Diffusor wird die kinetische Energie größtenteils in zusätzlichen Druck umgesetzt und das Fördergas wird weiter komprimiert.The conveying gas is sucked in axially approximately in the center of the compressor and compressed by the centrifugal force, supported also by the curved shape of the blades, and accelerated to the outside. In the circumferentially arranged diffuser, the kinetic energy is largely converted into additional pressure and the delivery gas is further compressed.

Die Energiewandlung bei Radialverdichtern ist mit entsprechenden Strömungs-, Reibungs- und Spaltverlusten verbunden, deshalb weisen Radialverdichter eine gewölbte Kennlinie auf. Neben einem hohen Wirkungsgrad wird daher eine stabile Kennlinie angestrebt, welche sich durch einen ansteigenden Förderdruck bei einem abnehmenden Förderstrom auszeichnet. Allerdings ist der Betriebsbereich eines Radialverdichters durch die so genannte Pumpengrenze eingeschränkt. Das ist im Allgemeinen der Punkt der Kennlinie mit der kleinsten Fördermenge. Jenseits der Pumpgrenze kann der Radialverdichter nicht mehr eingesetzt werden, denn die Strömung löst sich von den Schaufeln ab und ein stabiler Betrieb ist nicht mehr sichergestellt.The energy conversion in centrifugal compressors is associated with corresponding flow, friction and gap losses, therefore, radial compressors have a curved characteristic. In addition to high efficiency, therefore, a stable characteristic is sought, which is characterized by an increasing delivery pressure at a decreasing flow rate. However, the operating range of a centrifugal compressor is limited by the so-called pump limit. This is generally the point of the characteristic with the smallest flow. Beyond the surge line, the centrifugal compressor no longer be used, because the flow dissolves from the blades and a stable operation is no longer guaranteed.

Das Problem der Stabilisierung der Kennlinie eines Radialverdichters ist beispielsweise in der DE 42 14 753 A1 behandelt. Aus diesem Dokument ist ein Radialverdichter-Laufrad gemäß dem Oberbegriff bekannt. Die Schaufeln dieses Laufrads sind mit Durchgangsbohrungen versehen, durch welche das Fördergas von einer konvexen Schaufel-Druckseite zu einer konkaven Schaufel-Saugseite zugeführt wird, so dass die Wirbel, die auf der Schaufelsaugseite bei kleinen Volumenströmen und hohen Druckverhältnissen gebildeten werden, abtransportiert werden.The problem of stabilizing the characteristic of a centrifugal compressor is, for example, in DE 42 14 753 A1 treated. From this document, a centrifugal compressor impeller according to the preamble is known. The blades of this impeller are provided with through holes through which the conveying gas is supplied from a convex blade pressure side to a concave blade suction side, so that the vortices formed on the blade suction side at low flow rates and high pressure ratios, are transported away.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radialverdichter-Laufrad anzugeben, das einen vergrößerten stabilen Betriebsbereich bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad ermöglicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für ein solches Radialverdichter-Laufrad anzugeben.The invention has for its object to provide a centrifugal compressor impeller, which allows an increased stable operating range with high efficiency. Furthermore, the invention has for its object to provide a manufacturing method for such a centrifugal compressor impeller.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Radialverdichter-Laufrad, bestehend aus einer Radscheibe und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln. Die Schaufeln besitzen eine Eintrittskante und eine Austrittskante, wobei zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln ein doppeltgekrümmter Teilbereich ist, dessen Erzeugende als eine gekrümmte Linie ausgebildet ist und der gekrümmte Teilbereich senkrecht zur Erzeugenden ebenfalls gekrümmt ist.The first object is achieved by a radial compressor impeller consisting of a wheel disc and uniformly arranged in the circumferential direction blades. The blades have an entry edge and an exit edge, wherein at least a portion of the surface of the blades is a double curved portion, the generatrix of which is formed as a curved line, and the curved portion perpendicular to the generatrix is also curved.

Die Oberfläche im gekrümmten Teilbereich ist doppeltgekrümmt ausgebildet, d.h. ausgehend von einem Punkt auf der Oberfläche des gekrümmten Teilbereichs erstreckt sich die Oberfläche in zwei die Oberfläche aufspannenden Richtungen gekrümmt. Alle durch diesen Punkt verlaufenden Linien sind daher gekrümmt und nicht als Geraden ausgebildet. Der gekrümmte Teilbereich ist insgesamt dadurch charakterisiert, dass alle Linien - einschließlich der Erzeugenden - auf der Oberfläche in diesem Teilbereich gekrümmt sind. Dieser Bereich bildet somit eine so genannte Freiformfläche (sculptured surface).The surface in the curved portion is formed double-curved, ie, starting from a point on the surface of the curved portion, the surface extends in two surface-spanning directions curved. All lines passing through this point are therefore curved and not formed as a straight line. The curved section is characterized overall by the fact that all lines - including the generatrix - are curved on the surface in this subarea. This area thus forms a so-called sculptured surface.

Unter Erzeugenden wird vorliegend eine Linie verstanden, die in einer die Oberfläche aufspannenden Richtung (beispielsweise x-Richtung) Teil der Oberfläche ist, also den Verlauf der Oberfläche in dieser Richtung aufweist und definiert. Die Oberfläche wird durch Bewegung oder Verschiebung der Erzeugenden in eine zweite, nicht parallel zur Erzeugenden verlaufende Richtung (beispielsweise y-Richtung, senkrecht zur x-Richtung) ausgebildet und definiert. Die Erzeugende muss hierbei nicht zwangsläufig statisch sein, sondern sie kann sich in Abhängigkeit der Position der Erzeugenden in der zweiten Richtung verändern.In the present case, generatrix is understood to mean a line which is part of the surface in a direction spanning the surface (for example the x direction), that is to say has the course of the surface in this direction and defines it. The surface is formed and defined by movement or displacement of the generatrices in a second direction, not parallel to the generatrix (for example y-direction, perpendicular to the x-direction). In this case, the generator does not necessarily have to be static, but it can change in dependence on the position of the generators in the second direction.

Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass eine doppeltgekrümmte Oberfläche besser an die dreidimensionale Entwicklung der Strömung angepasst ist und somit ein verbessertes Strömungsverhalten ergibt. Das stabile Strömungsverhalten führt seinerseits zur Stabilisierung der Verdichterkennlinie und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Radialverdichters.The advantage of the invention is to be seen in particular in that a double-curved surface is better adapted to the three-dimensional development of the flow and thus results in an improved flow behavior. The stable flow behavior in turn leads to the stabilization of the compressor characteristic and to increase the efficiency of the centrifugal compressor.

Demgegenüber sind heutzutage Schaufeloberflächen von Radialverdichter-Laufrädern vielfach mit Hilfe von geradlinigen Erzeugenden definiert. Man spricht in diesem Zusammenhang von Regelflächen (ruled surfaces) bzw. von Regelflächengeraden. Zur Herstellung dieser Oberflächen wird üblicherweise auf eine spanende Bearbeitung im Flankenfräsverfahren (flank milling) mittels zylinder- oder kegelförmiger Walzenfräser zurückgegriffen. Hierbei wird der Fräser so zum Eingriff gebracht, dass sich seine ideelle Mantellinie im Schneidbereich parallel zur jeweiligen Regelflächengeraden der Schaufeloberfläche orientiert.On the other hand, blade surfaces of centrifugal compressor impellers are nowadays often defined by means of rectilinear generators. In this context, we speak of rule surfaces (ruled surfaces) or of rule surface lines. For the production of these surfaces is usually resorted to a machining in flank milling process (flank milling) by means of cylindrical or conical roller mill. In this case, the milling cutter is brought into engagement so that its ideal surface line in the cutting area is oriented parallel to the respective straight line straight line of the blade surface.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein weiterer Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln als Regelflächen-Teilbereich ausgebildet, dessen Erzeugende eine gerade Linie ist. Dieser Teilbereich bildet somit eine Regelfläche, so dass durch jeden Punkt dieses Teilbereichs zumindest eine Gerade verläuft.In a preferred embodiment, a further subregion of the surface of the blades is designed as a ruled-surface subregion whose generatrix is a straight line. This subarea thus forms a ruled surface, so that at least one straight line runs through each point of this subarea.

Weiterhin bevorzugt ist der Übergang von dem doppeltgekrümmten zum Regelflächen-Teilbereich stetig. Es liegen also keine Knickstellen oder Kanten zwischen diesen beiden Teilbereichen vor. Der Übergang zwischen diesen beiden Teilbereichen ist gerundet. Dadurch wird gewährleistet, dass keine Verwirbelungen durch Ablösung der Strömung aufgrund von Unebenheiten an der Oberfläche erzeugt werden.Furthermore, the transition from the double-curved to the ruled-surface partial area is preferably continuous. So there are no kinks or edges between these two parts. The transition between these two subareas is rounded. This ensures that no turbulence is generated by separation of the flow due to surface irregularities.

Vorzugsweise weisen die Schaufeln eine Nabenkante und eine etwa gegenüberliegende Außenkante auf, wobei der doppeltgekrümmte Teilbereich an die Außenkante und der Regelflächen-Teilbereich an die Nabenkante angrenzt. Die Nabenkante ist eine an eine Nabe der Radscheibe angrenzende Kante, sie befindet sich also im unteren Bereich der Schaufel. Die Außenkante liegt etwa gegenüber der Nabenkante. Sie ist bei halboffenen Laufrädern als freie Kante ausgebildet. Bei geschlossenen Laufrädern grenzt sie an die Deckscheibe an. Außenkante, Nabenkante, Eintrittskante sowie Austrittskante begrenzen die Schaufel, wobei Außenkante und Nabenkante jeweils die Eintrittskante mit der Austrittskante verbinden.Preferably, the vanes have a hub edge and an approximately opposite outer edge, wherein the double-curved portion adjacent to the outer edge and the ruled surface portion of the hub edge. The hub edge is adjacent to a hub of the wheel disc edge, so it is located in the lower part of the blade. The outer edge is approximately opposite the hub edge. It is designed as a free edge on half-open wheels. With closed wheels it adjoins the cover disc. The outer edge, hub edge, leading edge and trailing edge define the blade, wherein the outer edge and the hub edge each connect the leading edge to the trailing edge.

Zweckdienlicherweise erstreckt sich der doppeltgekrümmte Teilbereich und / oder der Regelflächen-Teilbereich von der Eintrittskante bis zur Austrittskante.Conveniently, the double curved portion and / or the ruled portion extends from the leading edge to the trailing edge.

Gemäß einer weiteren zweckdienlichen Weiterbildung sind der doppeltgekrümmte Teilbereich und der Regelflächen-Teilbereich etwa gleich groß.According to a further expedient refinement, the double-curved partial area and the regular-area partial area are approximately the same size.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche der Schaufeln mehrere doppeltgekrümmte Teilbereiche auf. Insbesondere besteht die Oberfläche aus mehreren doppeltgekrümmten und Regelflächen-Teilbereichen, die alternierend angeordnet sind, wodurch die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel verbessert sind.In a preferred embodiment, the surface of the blades has a plurality of double curved portions. Especially For example, the surface is composed of a plurality of double-curved and ruled-surface portions that are alternately arranged, thereby improving the aerodynamic properties of the blade.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung wird erreicht, indem angrenzend an die Nabenkante und an die Außenkante jeweils ein doppeltgekrümmter Teilbereich vorgesehen ist, zwischen denen ein Regelflächen-Teilbereich angeordnet ist.A further advantageous embodiment is achieved in that, adjacent to the hub edge and to the outer edge, a double-curved partial region is provided, between which a ruled-surface partial region is arranged.

Eine effiziente Umlenkung der Strömung mit verringerter Abreißgefahr wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass die gesamte Oberfläche der Schaufeln doppelt gekrümmt ist, also vollständig durch eine gekrümmte Erzeugende gebildet ist.An efficient deflection of the flow with reduced risk of tearing is achieved according to a particularly preferred embodiment in that the entire surface of the blades is doubly curved, that is completely formed by a curved generatrix.

Die positive Wirkung der Geometrie der Schaufeln auf das stabile Verhalten der Strömung ist vorteilhafterweise durch eine gekrümmte Eintrittskante verstärkt.The positive effect of the geometry of the blades on the stable behavior of the flow is advantageously enhanced by a curved leading edge.

Da sich das Verhalten der Strömung in Längsrichtung der Schaufeln verändert, sind die Schaufeln vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Krümmung der Erzeugenden sich von der Eintrittskante in Richtung Austrittskante verändert. Dies bedeutet, dass die Erzeugende des doppeltgekrümmten Teilbereichs, die sich in Querrichtung der Schaufeln erstreckt, einen Krümmungsverlauf aufweist, der in Längsrichtung der Schaufel variiert.Since the behavior of the flow changes in the longitudinal direction of the blades, the blades are preferably designed such that the curvature of the generatrix changes from the leading edge toward the trailing edge. This means that the generatrix of the double-curved section which extends in the transverse direction of the blades has a curvature which varies in the longitudinal direction of the blade.

Die Radscheibe, die Schaufeln und ggf. die Deckscheibe bilden getrennte Einheiten. Die einzelnen Elemente des Laufrads können getrennt hergestellt und später zusammengefügt werden, so dass eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden insbesondere für die Gestaltung der Schaufeln gewährleistet ist.The wheel disc, the blades and possibly the cover disc form separate units. The individual elements of the impeller can be manufactured separately and joined together later, so that a high number of degrees of freedom, in particular for the design of the blades is ensured.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichter-Laufrads, welches aus einer Radscheibe und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln besteht, wobei die Oberfläche der Schaufeln zumindest bereichsweise durch Punktfräsen mittels eines Kugelkopf- oder Radiusfräsers gefertigt ist. Wegen der geometrischen Merkmale der Schaufeln ist ein Herstellungsprozess nicht anwendbar, bei dem der Fräser die Schaufeloberfläche linear berührt, wie dies beispielsweise bei der üblichen Verwendung eines Walzenfräsers der Fall ist. Die Gestaltung der doppeltgekrümmten Teilbereiche erfordert eine punktuelle Berührung des Fräsers mit der Schaufeloberfläche, welche zusätzliche Freiheitsgrade bei der Herstellung der Schaufeln gewährleistet. Diese punktuelle Berührung erfolgt beim Stirnfräsen. Entsprechend ist eine hohe Anzahl an Fräsbahnen vorgesehen, um eine ausreichend hohe Oberflächengüte zu erreichen. Durch Stirnfräsen kann insbesondere die ganze Schaufeloberfläche, auch im Regelflächen-Teilbereich, gestaltet werden.The object is further achieved by a method for producing a centrifugal compressor impeller, which consists of a wheel disc and evenly in the circumferential direction arranged blades, wherein the surface of the blades is at least partially made by point milling by means of a Kugelkopf- or radius cutter. Because of the geometrical features of the blades, a manufacturing process is not applicable in which the cutter contacts the blade surface linearly, as is the case, for example, with the usual use of a roll mill. The design of the double curved sections requires a selective contact of the cutter with the blade surface, which ensures additional degrees of freedom in the manufacture of the blades. This point contact occurs during face milling. Accordingly, a high number of milling paths is provided in order to achieve a sufficiently high surface quality. By face milling, in particular the entire blade surface, even in the ruled area sub-area, can be designed.

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

FIG 1
einen Schnitt in Axialrichtung durch einen einstufigen Radialverdichter,
FIG 2a
eine Seitenansicht auf eine Schaufel mit einem doppeltgekrümmten und einem Regelflächen-Teilbereich,
FIG 2b
eine Draufsicht auf die Schaufel nach FIG 2a,
FIG 3a
eine Seitenansicht auf eine Schaufel mit einer in Strömungsrichtung konvex gekrümmten Eintrittskante,
FIG 3b
eine Draufsicht auf die Schaufel nach FIG 3a,
FIG 4a
eine Seitenansicht auf eine Schaufel mit einer in Strömungsrichtung konkav gekrümmten Eintrittskante,
FIG 4b
eine Draufsicht auf die Schaufel nach FIG 4a,
FIG 5a
eine Seitenansicht auf eine Schaufel mit zwei doppeltgekrümmten Teilbereichen, zwischen denen ein Regelflächen-Teilbereich angeordnet ist,
FIG 5b
eine Draufsicht auf die Schaufel nach FIG 5a,
FIG 6a
eine Seitenansicht auf eine Schaufel mit einer mehrfach gekrümmten Eintrittskante,
FIG 6b
eine Draufsicht auf die Schaufel nach FIG 6a, und
FIG 7
eine Verdichterkennlinie eines Radialverdichters.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Here are shown schematically:
FIG. 1
a section in the axial direction through a single-stage centrifugal compressor,
FIG. 2a
a side view of a blade with a double-curved and a ruled portion,
FIG. 2b
a plan view of the blade of FIG 2a,
FIG. 3a
a side view of a blade with a convexly curved in the flow direction leading edge,
FIG. 3b
a plan view of the blade according to FIG 3a,
FIG. 4a
a side view of a blade with a concave curved in the flow direction leading edge,
4b
a plan view of the blade according to FIG 4a,
FIG. 5a
a side view of a blade with two double-curved portions, between which a ruled surface portion is arranged
FIG. 5b
a plan view of the blade according to FIG 5a,
6a
a side view of a blade with a multi-curved leading edge,
FIG. 6b
a plan view of the blade of FIG 6a, and
FIG. 7
a compressor characteristic of a centrifugal compressor.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.Like reference numerals have the same meaning in the various figures.

In FIG 1 ist ein einflutig (Fördergaszuführung nur von einer Seite) und einstufig arbeitender Radialverdichter 2 dargestellt. Der Radialverdichter 2 umfasst ein Laufrad 4, eine in Drehrichtung D rotierbare Welle 6, auf der das Laufrad 4 angebracht ist und die eine Axialrichtung A definiert sowie einen Diffusor 8 und eine Deckscheibe 10. Das Laufrad 4 besteht aus einer Radscheibe 12 und einer Mehrzahl an über dem Umfang angeordneten Schaufeln 14.In Figure 1, a single-flow (conveying gas supply only from one side) and single-stage working radial compressor 2 is shown. The centrifugal compressor 2 comprises an impeller 4, a rotatable in the direction of rotation D shaft 6, on which the impeller 4 is mounted and which defines an axial direction A and a diffuser 8 and a cover plate 10. The impeller 4 consists of a wheel disc 12 and a plurality of over the circumference arranged blades 14.

Ein Fördergas wird axial im Bereich der Welle 6 angesaugt und über die zwischen den Schaufeln entstandenen Kanäle durch die Zentrifugalkraft radial nach außen beschleunigt. Dies ist durch die Pfeile F angedeutet, welche die Strömungsrichtung des Fördergases angeben. Hierbei nimmt sowohl die Geschwindigkeit als auch der Druck des Fördergases zu. Im Diffusor 8 wird die Strömung verlangsamt, was zu einer weiteren Erhöhung des Drucks des Fördergases führt. Nach dem Komprimieren verlässt das Fördergas den Radialverdichter wieder in Axialrichtung.A conveying gas is sucked in axially in the region of the shaft 6 and accelerated radially outwardly via the channels formed between the blades by the centrifugal force. This is indicated by the arrows F, which indicate the flow direction of the conveying gas. In this case, both the speed and the pressure of the delivery gas increases. In the diffuser 8, the flow is slowed down, resulting in a further increase in the pressure of the delivery gas. After compression, the conveying gas leaves the centrifugal compressor again in the axial direction.

Zur einwandfreien Energieumsetzung trägt vor allem die aerodynamische Geometrie der Schaufeln 14 bei. Diese Geometrie ist beispielsweise in FIG 2a und FIG 2b dargestellt, welche eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Schaufeln 14 zeigen. Die Schaufel 14 weist eine Eintrittskante 16 auf. Am anderen Ende in Längsrichtung der Schaufel 14 ist eine Austrittskante 18, die im montierten Zustand zum Diffusor 8 orientiert ist. Bei einem geschlossenen Laufrad 2 ist die Schaufel 14 mit der Deckscheibe 10 versehen, bei einem halboffenen Laufrad weist die Schaufel 14 eine freie Austrittskante 18 auf. Eine Nabenkante 20 der Schaufel 14 erstreckt sich über die Oberfläche der Radscheibe 12 und grenzt unmittelbar an dieser in einem Nabenbereich an. Etwa gegenüberliegend weist die Schaufel 14 eine Außenkante 22 auf. Die Erzeugende 24 der in Bezug auf die Drehrichtung D führenden Schaufeloberfläche ist konvex gekrümmt.In particular, the aerodynamic geometry of the blades 14 contributes to the correct energy conversion. This geometry is shown for example in FIG 2a and 2b, which show a side view and a plan view of a first embodiment of the blades 14. The blade 14 has an entry edge 16. At the other end in the longitudinal direction of the blade 14 is an exit edge 18, which is oriented in the mounted state to the diffuser 8. In a closed impeller 2, the blade 14 is provided with the cover plate 10, in a semi-open impeller, the blade 14 has a free trailing edge 18. A hub edge 20 of the blade 14 extends over the surface of the wheel disc 12 and abuts directly on this in a hub region. Approximately opposite, the blade 14 has an outer edge 22. The generatrix 24 of the vane surface leading with respect to the direction of rotation D is convexly curved.

Die Oberfläche der Schaufeln 14 wird durch eine jeweilige Erzeugende 24 definiert. Diese erstreckt sich jeweils in Querrichtung der Schaufel 14, d.h. von der Nabenkante 20 zu der Außenkante 22. In Längsrichtung der Schaufel 14, also in Richtung von der Eintrittskante 16 zu der Austrittskante 18, verändert sich die Erzeugende 24. Anders betrachtet setzt sich die gesamte Oberfläche aus einer Vielzahl von infinitesimalen Teiloberflächen zusammen, die jeweils durch unterschiedliche statische Erzeugende definiert sind.The surface of the blades 14 is defined by a respective generatrix 24. This extends in the transverse direction of the blade 14, i. From the hub edge 20 to the outer edge 22. In the longitudinal direction of the blade 14, ie in the direction of the leading edge 16 to the trailing edge 18, the generator 24 changes. Viewed differently, the entire surface is composed of a plurality of infinitesimal sub-surfaces, each are defined by different static generators.

In Querrichtung der Schaufel 14, d.h. zwischen der Nabenkante 20 und der Außenkante 22, ist die Oberfläche in einen doppeltgekrümmten Teilbereich 26 und einen Regelflächen-Teilbereiche 28 aufgeteilt. Der doppeltgekrümmte Teilbereich 26 grenzt an die Außenkante 22 an und erstreckt sich in Längsrichtung von der Eintrittskante 16 bis zur Austrittskante 18. Der Regelflächen-Teilbereich 28 grenzt an die Nabenkante 20 und erstreckt sich ebenfalls wie der doppeltgekrümmte Teilbereich 26 entlang der ganzen Schaufel 14. Die zwei Teilbereiche 26, 28 bilden einen stetigen Übergang zwischen sich, so dass die Oberfläche der Schaufel 14 keine Kanten, Rillen oder Erhebungen aufweist, welche einen negativen Einfluss auf die Entwicklung der Strömung haben könnten.In the transverse direction of the blade 14, ie between the hub edge 20 and the outer edge 22, the surface is divided into a double-curved portion 26 and a ruled-surface portions 28. The double curved portion 26 abuts the outer edge 22 and extends longitudinally from the leading edge 16 to the trailing edge 18. The ruled portion 28 abuts the hub edge 20 and also extends like the double curved portion 26 along the entire blade 14. Die two sections 26, 28 form a continuous transition between them, so that the surface of the blade 14 has no edges, grooves or protrusions, which could have a negative influence on the development of the flow.

Aufgrund der beiden Teilbereiche 26, 28 ist auch die Erzeugende 24 in einen gekrümmten Bereich 24a und einen Regelflächen-Bereich 24b unterteilt, die ineinander stetig übergehen. Insbesondere durch die dreidimensionale Krümmung im doppeltgekrümmten Teilbereich 26 ist die Form der Schaufel 14 an die Strömungsanforderungen hinsichtlich der Stabilisierung der Strömung angepasst.Due to the two partial regions 26, 28, the generator 24 is also subdivided into a curved region 24a and a control surface region 24b, which merge smoothly into one another. In particular, by the three-dimensional curvature in the double-curved portion 26, the shape of the blade 14 is adapted to the flow requirements with regard to the stabilization of the flow.

Die komplexe Geometrie der Schaufeln 14 erfordert eine Herstellungsmethode, die Freiheitsgrade in allen drei Raumrichtungen bei der Anfertigung des doppeltgekrümmten Teilbereichs 26 gewährleistet. Besonders geeignet ist in diesem Fall der Einsatz von einem Stirnfräser, welcher durch den punktuellen Kontakt mit der Oberfläche der Schaufel 14 gekrümmte Ebenen mit unterschiedlichen Krümmungsrichtungen und Krümmungsradien erzeugen kann.The complex geometry of the blades 14 requires a manufacturing method that ensures degrees of freedom in all three spatial directions in making the double curved portion 26. Particularly suitable in this case is the use of a face milling cutter, which can produce curved planes with different directions of curvature and radii of curvature through the point contact with the surface of the blade 14.

Eine weitere Ausführungsform der Schaufel 14 ist in FIG 3a und FIG 3b dargestellt. Die Schaufel 14 weist für ihre gesamte Oberfläche eine gekrümmte Erzeugenden 24a auf, die sich von der Eintrittskante 16 bis zur Austrittskante 18 erstreckt und konkav zur Strömungsrichtung F des Fördergases orientiert ist. Aus den Figuren 3a und 3b ist außerdem zu entnehmen, dass der Krümmungsverlauf der Erzeugenden 24a sich in Strömungsrichtung F von der Eintrittskante 16 bis zur Austrittskante 28 verändert. In der Seitenansicht in FIG 3a weist die Schaufel eine konvex gekrümmte Eintrittskante 16 auf.A further embodiment of the blade 14 is shown in FIG. 3a and FIG. 3b. The blade 14 has for its entire surface a curved generatrix 24a which extends from the leading edge 16 to the trailing edge 18 and is oriented concavely to the flow direction F of the conveying gas. It can also be seen from FIGS. 3 a and 3 b that the curvature profile of the generatrix 24 a changes in the flow direction F from the inlet edge 16 to the outlet edge 28. In the side view in FIG. 3 a, the blade has a convexly curved leading edge 16.

Im Ausführungsbeispiel der FIG 4a und FIG 4b ist die Erzeugende 24 der in Bezug auf die Drehrichtung D führenden Schaufeloberfläche konkav gekrümmt. Auch sind hier wie im Ausführungsbeispiel der FIG 2a und 2b ein doppeltgekrümmter Teilbereich 26 und ein Regelflächen-Teilbereich 28 vorgesehen. Der doppeltgekrümmte Teilbereich 26 bildet hierbei in etwa 1/3 der gesamten Oberfläche. Im Ausführungsbeispiel der FIG 4a, 4b ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Schaufeln 14 veranschaulicht, nämlich eine in der Seitenansicht in FIG 4a konkav gekrümmte Eintrittskante 16, welche die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel 14 verbessert.In the exemplary embodiment of FIGS. 4a and 4b, the generatrix 24 of the blade surface leading in relation to the direction of rotation D is concavely curved. Also, as in the embodiment of FIGS. 2a and 2b, a double-curved partial region 26 and a ruled-surface partial region 28 are provided here. The double curved portion 26 in this case forms about 1/3 of the entire surface. In the embodiment of Figures 4a, 4b, a further preferred embodiment of the blades 14 is illustrated, namely a in the side view in FIG 4a is a concave curved edge 16, which improves the aerodynamic properties of the blade 14.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel weist die Schaufel 14 zwei doppeltgekrümmte Teilbereiche 26 auf, welche an die Nabenkante 20 und die Außenkante 22 angrenzen und zwischen welchen ein Regelflächen-Teilbereich 28 angeordnet ist. Dies ist in FIG 5a und FIG 5b gezeigt. Hierbei ist die Eintrittskante 16 wieder gekrümmt ausgebildet. Die einzelnen Teilbereiche 26, 28 sind in etwa gleich groß.According to another embodiment, the blade 14 has two double-curved portions 26 which adjoin the hub edge 20 and the outer edge 22 and between which a ruled-surface portion 28 is arranged. This is shown in FIG. 5a and FIG. 5b. Here, the leading edge 16 is formed curved again. The individual subregions 26, 28 are approximately the same size.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den FIG 6a und FIG 6b ist im Wesentlichen eine Kombination der Ausführungsbeispiele nach den FIG 4a, 4b und FIG 5a, 5b. Beim Ausführungsbeispiel nach FIG 6a, 6b setzt sich die Erzeugende 24 aus zwei entgegengesetzt gekrümmten Bereichen 24a zusammen, die über einen Regelflächen-Bereich 24b miteinander verbunden sind. Es sind daher auch hier zwei randseitige, doppeltgekrümmte Teilbereiche 26 sowie ein dazwischen angeordneter Regelflächen-Teilbereich 28 vorgesehen.The exemplary embodiment according to FIGS. 6a and 6b is essentially a combination of the exemplary embodiments according to FIGS. 4a, 4b and FIGS. 5a, 5b. In the exemplary embodiment according to FIGS. 6a, 6b, the generator 24 is composed of two oppositely curved regions 24a, which are connected to one another via a control surface region 24b. Therefore, there are also two edge-side, double-curved partial regions 26 as well as a ruled-surface partial region 28 arranged therebetween.

Der in den Figuren dargestellte doppeltgekrümmte Teilbereich 26 überdeckt jeweils einen großen Oberflächenbereich der Schaufeloberfläche von - je nach Ausführungsbeispiel - 20% bis 60% der Gesamtoberfläche. Lediglich bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 3a, 3b bildet der gekrümmte Teilbereich 26 100% oder nahezu 100 % der Gesamtoberfläche.The double-curved partial area 26 illustrated in the figures covers in each case a large surface area of the blade surface of-depending on the exemplary embodiment-20% to 60% of the total surface area. Only in the exemplary embodiment according to FIGS. 3a, 3b does the curved partial region 26 form 100% or nearly 100% of the total surface.

Die Teilbereiche 26, 28 sind in den Figuren nur grob durch die gestrichelte Linie angedeutet. Da sich der Krümmungsverlauf in Längsrichtung der Schaufel 14 ändert, besteht die Möglichkeit, dass innerhalb der dargestellten Teilbereiche 26 in begrenzten Teilstücken die Erzeugende nicht gekrümmt sondern eine Linie ist. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn die Krümmung innerhalb eines Teilbereichs 26 von konvex auf konkav geändert wird.The partial regions 26, 28 are only roughly indicated in the figures by the dashed line. Since the curvature changes in the longitudinal direction of the blade 14, there is the possibility that within the illustrated subregions 26 in limited sections, the generatrix is not curved but is a line. This may occur, for example, when the curvature within a portion 26 is changed from convex to concave.

Das Betriebsverhalten des Radialverdichters 2 für eine bestimmte Drehzahl ist qualitativ anhand des Diagramms in FIG 7 durch eine Verdichterkennlinie VK beschrieben. In diesem Diagramm ist das Druckverhältnis p P 0

Figure imgb0001
über den Volumenstrom V̇ dargestellt, wobei p der Förderdruck am Austritt des Verdichters 2 und P0 der Ansaugdruck an der Eintrittskante 16 ist. Die Kennlinie VK ist auf der linken Seite durch die Pumpgrenze S begrenzt. Dort löst sich die Strömung bei zu kleinen Volumenströmen und zu hohen Druckverhältnissen von den Schaufeln 14 ab. Der Punkt auf der Kennlinie VK, in dem das passiert, ist der Abreißpunkt W. Der Betriebspunkt B des Radialverdichters 2 ist der Schnittpunkt der Verdichterkennlinie VK mit einer Anlagenkennlinie AK. In der Regel wandert B auf der Verdichterkennlinie VK in Abhängigkeit von den Anlagenparametern.The operating behavior of the radial compressor 2 for a certain speed is described qualitatively with reference to the diagram in FIG. 7 by a compressor characteristic curve VK. In this diagram is the pressure ratio p P 0
Figure imgb0001
 represented by the flow rate V̇ , where p is the discharge pressure at the outlet of the compressor 2 and P 0, the intake pressure at the leading edge 16. The characteristic VK is limited on the left side by the surge limit S. There, the flow dissolves at too small flow rates and high pressure ratios of the blades 14. The point on the characteristic curve VK in which this happens is the tear-off point W. The operating point B of the radial compressor 2 is the point of intersection of the compressor characteristic curve VK with a system characteristic curve AK. As a rule, B moves on the compressor characteristic curve VK depending on the system parameters.

Um die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaufeln 14 auf die Eigenschaften des Radialverdichters 2 zu verdeutlichen, sind die Verdichterkennlinie VK' und den dazugehören Abreißpunkt W' und Pumpgrenze S' eines herkömmlichen Radialverdichters angezeigt. Dank der verbesserten Aerodynamik der Schaufeln 14 ist der Anstieg der Kennlinie VK in Richtung Pumpgrenze steiler. Dies führt dazu, dass der Betriebspunkt B bei höheren Druckverhältnissen als der Betriebspunkt B' eines herkömmlichen Radialverdichters liegt, wenn die zwei Verdichter etwa die gleiche Menge an Fördergas fördern, so dass ein höher Wirkungsgrad des Radialverdichters 2 erreicht ist. Eine weitere Verbesserung der Verdichterkennwerten ist die Verschiebung des Abreißpunkts W zu niedrigeren Volumenströmen V̇ als der Abreißpunkt W' eines üblichen Radialverdichters. Somit wird das Strömungsverhalten des Fördergases stabilisiert und der Radialverdichter 2 funktioniert bei niedrigen Volumenströmen V̇ immer noch einwandfrei und sicher.In order to illustrate the effect of the blades 14 according to the invention on the properties of the centrifugal compressor 2, the compressor characteristic VK 'and the associated tear-off point W' and surge limit S 'of a conventional centrifugal compressor are indicated. Thanks to the improved aerodynamics of the blades 14, the slope of the characteristic curve VK in the direction of the surge limit is steeper. As a result, the operating point B is at higher pressure ratios than the operating point B 'of a conventional centrifugal compressor, when the two compressors deliver about the same amount of conveying gas, so that a higher efficiency of the centrifugal compressor 2 is achieved. A further improvement of the compressor characteristics is the displacement of the tear-off point W to lower volume flows V̇ than the tear-off point W 'of a conventional centrifugal compressor. Thus, the flow behavior of the delivery gas is stabilized and the centrifugal compressor 2 works at low flow rates V̇ still flawless and safe.

Claims (13)

Radialverdichter-Laufrad (4),
bestehend aus einer Radscheibe (12) und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (14) mit einer Eintrittskante (16) und einer Austrittskante (18),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln (14) ein doppeltgekrümmter Teilbereich (26) ist, dessen Erzeugende (24a) als eine gekrümmte Linie ausgebildet ist und der gekrümmte Teilbereich (26) senkrecht zur Erzeugenden (24a) ebenfalls gekrümmt ist.Centrifugal compressor impeller (4),
consisting of a wheel disc (12) and blades (14) arranged uniformly in the circumferential direction and having an entry edge (16) and an exit edge (18),
characterized in that
at least a portion of the surface of the blades (14) is a double-curved portion (26) whose generatrix (24a) is formed as a curved line and the curved portion (26) is also curved perpendicular to the generatrix (24a). Radialverdichter-Laufrad (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein weiterer Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln (14) als ein Regelflächen-Teilbereich (28) ausgebildet ist, dessen Erzeugende (24b) als eine gerade Linie ausgebildet ist.Radial compressor impeller (4) according to claim 1,
characterized in that
another portion of the surface of the blades (14) is formed as a ruled surface portion (28) whose generatrix (24b) is formed as a straight line. Radialverdichter-Laufrad (4) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Übergang von dem doppeltgekrümmten Teilbereich (26) zum Regelflächen-Teilbereich (26, 28) stetig ist.Radial compressor impeller (4) according to claim 2,
characterized in that
the transition from the double-curved partial region (26) to the control surface partial region (26, 28) is continuous. Radialverdichter-Laufrad (4) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaufeln (14) eine Nabenkante (20) und eine etwa gegenüberliegende Außenkante (22)aufweisen,
wobei der doppeltgekrümmte Teilbereich (26) an die Außenkante (22) und der Regelflächen-Teilbereich (28) an die Nabenkante (20) angrenzt.Radial compressor impeller (4) according to claim 2 or 3,
characterized in that
the blades (14) have a hub edge (20) and an approximately opposite outer edge (22),
wherein the double-curved portion (26) on the outer edge (22) and the ruled surface portion (28) adjacent to the hub edge (20). Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der doppeltgekrümmte Teilbereich (26) und / oder der Regelflächen-Teilbereich (28) sich von der Eintrittskante (16) bis zur Austrittskante (18) erstreckt.Radial compressor impeller (4) according to one of claims 2 to 4,
characterized in that
the doubly curved portion (26) and / or the control surface portion (28) extends from the leading edge (16) to the exit edge (18). Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der doppeltgekrümmte Teilbereich (26) und der Regelflächen-Teilbereich (28) etwa gleich groß sind.Radial compressor impeller (4) according to one of claims 2 to 5,
characterized in that
the double curved portion (26) and the ruled portion (28) are about the same size. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Schaufeln (14) mehrere durch einen Regelflächen-Teilbereich (28) voneinander getrennte, doppeltgekrümmte Teilbereiche (26) aufweist.Radial compressor impeller (4) according to one of claims 2 to 6,
characterized in that
the surface of the blades (14) has a plurality of double-curved partial regions (26) separated from one another by a control surface partial region (28). Radialverdichter-Laufrad (4) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
angrenzend an die Nabenkante (20) und an die Außenkante (22) zwei doppeltgekrümmte Teilbereiche (26) vorgesehen sind, zwischen denen ein Regelflächen-Teilbereich (28) angeordnet ist.Radial compressor impeller (4) according to claim 7,
characterized in that
adjacent to the hub edge (20) and to the outer edge (22) two double curved portions (26) are provided, between which a ruled surface portion (28) is arranged. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gesamte Oberfläche der Schaufeln (14) gekrümmt ist und eine gekrümmte Linie als Erzeugende (24a) aufweist.Radial compressor impeller (4) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the entire surface of the blades (14) is curved and has a curved line as a generatrix (24a). Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eintrittskante (16) gekrümmt ist.Radial compressor impeller (4) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the leading edge (16) is curved. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Krümmungsverlauf der Erzeugenden (24) sich von der Eintrittskante (16) in Richtung zur Austrittskante (18) verändert.Radial compressor impeller (4) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the curvature of the generatrix (24) changes from the leading edge (16) towards the trailing edge (18). Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Radscheibe (12), die Schaufeln (14) und / oder eine Deckscheibe getrennte Einheiten bilden.Radial compressor impeller (4) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the wheel disc (12), the blades (14) and / or a cover disc form separate units. Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichter-Laufrads (4),
welches aus einer Radscheibe (12) und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (14) besteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche der Schaufeln (14) zumindest bereichsweise durch Stirnfräsen derart gefertigt ist,
dass zumindest ein Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln (14) ein gekrümmter Teilbereich (26) ist,
dessen Erzeugende (24a) als eine gekrümmte Linie ausgebildet ist und
der gekrümmte Teilbereich (26) senkrecht zur Erzeugenden (24a) ebenfalls gekrümmt ist.Method for producing a centrifugal compressor impeller (4),
which consists of a wheel disc (12) and uniformly arranged in the circumferential direction blades (14),
characterized in that
the surface of the blades (14) is at least partially made by end milling such
at least a portion of the surface of the blades (14) is a curved portion (26),
whose generatrix (24a) is formed as a curved line, and
the curved portion (26) perpendicular to the generatrix (24a) is also curved.
EP05025048A 2005-11-16 2005-11-16 Impeller of radial compressor Withdrawn EP1788255A1 (en)

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