EP1948939A1 - Radialverdichter-laufrad - Google Patents

Radialverdichter-laufrad

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EP1948939A1
EP1948939A1 EP06807648A EP06807648A EP1948939A1 EP 1948939 A1 EP1948939 A1 EP 1948939A1 EP 06807648 A EP06807648 A EP 06807648A EP 06807648 A EP06807648 A EP 06807648A EP 1948939 A1 EP1948939 A1 EP 1948939A1
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EP
European Patent Office
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curved
blades
edge
compressor impeller
radial compressor
Prior art date
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EP06807648A
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English (en)
French (fr)
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EP1948939B1 (de
Inventor
Lars Schlüter
Theodor Wallmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP1948939A1 publication Critical patent/EP1948939A1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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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 centrifugal compressor impeller best ⁇ starting from a wheel disc and uniformly 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 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 egg ⁇ nes 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.
  • the conveying gas is sucked axially approximately in the center of the compressor ⁇ and compressed by the centrifugal force, supported by the curved shape of the blades, and accelerated to the outside.
  • the kinetic energy is mostly consists in additional pressure vice ⁇ and the conveying gas is further compressed.
  • centrifugal compressors have a curved characteristic.
  • a stable Kenn ⁇ line 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.
  • Vane suction side is supplied, so that the vortices that are 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 object of the invention is to provide a production method for such a radial 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 a leading edge and an off ⁇ takes 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 section perpendicular to the generatrix also ge ⁇ is curved.
  • the surface in the curved subregion is formed with a double curvature, ie, starting from a point on the surface of the curved subregion, the surface extends curved in two directions spanning the surface. All lines passing through this point are therefore curved and not formed as straight lines.
  • the curved part Overall, the area is characterized by the fact that all the 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, not parallel to the generating dur ⁇ fende direction (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. Mung behave the stable Strö ⁇ leads in turn to stabilize the compressor characteristic and to increase the efficiency of the radial 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, machining by means of flank miling is usually resorted to using a cylindrical or conical roll 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 formed as a ruled surface Operabe ⁇ rich, the generatrix of which 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 the separation of the flow due to surface irregularities.
  • the blades have a hub edge and an approximately opposite outer edge, wherein the doppelge ⁇ 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 ⁇ be found in the lower part of the blade.
  • the outer edge is approximately opposite the hub edge. It is formed at half ⁇ open wheels as a free edge. In CLOSED ⁇ Senen impellers it is adjacent to the cover plate. Outer edge, the hub edge, leading edge and trailing edge be ⁇ limits the blade, said outer edge and hub edge respectively connecting the leading edge with 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 consists of a plurality of double-curved and ruled-surface portions, which are arranged alternately, whereby the aerodynamic properties of the blade are improved.
  • a further advantageous embodiment is achieved by a double-curved portion is on ⁇ adjoining the hub edge and the outer edge in each case, between which a control-surface section 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 indicates loading that the generatrix of the double-curved Operabe ⁇ kingdom which extends in the transverse direction of the blades having 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 object is further achieved by a method for producing a centrifugal compressor impeller, which consists of a wheel disc and uniformly in the circumferential direction arranged arranged blades, wherein the surface of the blades is at least partially made by point milling by means of a ball or radius cutter.
  • a technique for producing a centrifugal compressor impeller which consists of a wheel disc and uniformly in the circumferential direction arranged arranged blades, wherein the surface of the blades is at least partially made by point milling by means of a ball or radius cutter.
  • FIG. 2a shows a side view of a blade with a double-curved and a ruled-surface partial area
  • FIG. 2b shows a plan view of the blade according to FIG. 2a
  • 3 a shows a side view of a blade with a convexly curved leading edge in the flow direction
  • FIG 3b shows a plan view of the blade according to FIG 3a
  • FIG. 4a shows a side view of a blade with a concave curved in the flow direction leading edge
  • 4b is a plan view of the blade according to FIG 4a
  • 5A is a side view of a blade with two dop ⁇ peltgekrümmten portions between which a control-surface section is arranged
  • FIG 5b is a plan view of the blade according to FIG 5a
  • 6a shows a side view of a blade with a multiply curved leading edge
  • FIG 6b is a plan view of the blade of FIG 6a.
  • FIG. 7 shows a compressor characteristic of a radial compressor.
  • 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 shaft in rotation D 6, on which the impeller 4 is brought to ⁇ and defines an axial direction A and ei ⁇ nen diffuser 8 and a cover plate 10.
  • the impeller 4 consists of a wheel disc 12th and a plurality of circumferentially 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 Geschwin ⁇ 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 Ausure ⁇ tion form 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 outlet edge 18, which is oriented in the assembled state to ⁇ to the diffuser 8.
  • the blade is hen verse 14 with the cover plate 10 ⁇
  • in a semi-open impeller 14 includes a free blade 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 He ⁇ convincing 24th This extends in each case in cross ⁇ direction of the blade 14, that is, from the hub edge 20 of 22 to the outer edge in the longitudinal direction of the blade 14, ie in the direction from the leading edge 16 to the trailing edge 18, varies the generatrix 24. Viewed another way, is made up the entire surface of a plurality of infinite ⁇ simalen sub-surfaces together, which are each defined by different static generatrix.
  • the surface is divided into a dop ⁇ peltgekrümmten portion 26, and a ruled-surface portions 28th
  • the double-curved portion 26 adjoins the outer edge 22 and extends in the longitudinal ⁇ direction of the leading edge 16 to the exit edge 18.
  • the ruled surface portion 28 adjacent to the hub edge 20 and also extends like the double curved Operabe ⁇ rich 26 along the whole Blade 14.
  • the two subregions 26, 28 form a continuous transition therebetween such that the surface of the blade 14 has no edges, grooves or protrusions which could have a negative impact on the evolution of the flow.
  • the shape of the blade 14 is adapted to the flow requirements in terms of stabilization of the flow.
  • the complex geometry of the blades 14 requires Her ⁇ delivery method, the degrees of freedom in all three spatial Rich ⁇ obligations ensured during the preparation of the double-curved portion 26th
  • 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 ge ⁇ entire surface to a curved generatrices 24a which extends from the leading edge 16 to the trailing edge 18 and concave to the flow direction F of the conveying gas is oriented. From Figures 3a and 3b that the curvature of the generatrix edge 24a in Strö ⁇ flow direction F from the leading edge 16 to the exit ⁇ is also clear changed 28th In the side view in FIG. 3 a, the blade has a convexly curved leading edge 16.
  • the Erzeu ⁇ is curved constricting 24 leading in relation to the rotational direction D of the blade surface concave.
  • a double curved part ⁇ region 26 and a regulating surface section provided 28th The double curved portion 26 in this case forms about 1/3 of the entire surface.
  • a further preferred embodiment of the show ⁇ blades 14 is illustrated, namely a in the side view in FIG 4a is a concave curved edge 16, which improves the aero ⁇ dynamic 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 entry ⁇ 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.
  • haftge ⁇ assembles that are interconnected by a ruled-surface region 24b.
  • 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 embodiment ⁇ example of FIG 3a, 3b, the curved portion 26 forms 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 Krümmungsver ⁇ running in the longitudinal direction of the blade 14 changes, there is a possibility that not curved in the illustrated sections 26 in limited portions, the generatrix but 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 rotational speed is qualitatively described on the basis of the diagram in FIG. 7 by a compressor characteristic curve VK. In this slide ⁇ program is the pressure ratio - via the volume flow V
  • the characteristic VK is bounded on the left by the pumping limit ⁇ S. There, the flow dissolves at too small volume flows and at high pressure ratios of the show fine 14.
  • the operating point B of the radial ⁇ compressor 2 is the intersection of the compressor characteristic VK with a system characteristic AK. As a rule, B moves on the compressor characteristic curve VK depending on the system parameters.
  • the compressor characteristic VK x and the associated tear-off point W x and surge limit S x of a conventional centrifugal compressor are indicated. Thanks to the improved aerodynamics of the blades 14 is the rise of the characteristic VK toward surge limit stei ⁇ ler. As a result, the operating point B is at higher pressure ratios than the operating point B x of a conventional centrifugal compressor when the two compressors convey about the same amount of delivery gas, so that a higher efficiency of the centrifugal compressor 2 is achieved.
  • a white ⁇ tere improvement of compressor characteristic values is the displacement of the Abr aloneticians W at lower flow rates than the breakpoint V W x of a conventional centrifugal compressor.
  • the flow behavior of the delivery gas is stabilized and the centrifugal compressor 2 still works properly and safely at low flow rates V.

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Abstract

Zur Stabilisierung des Strömungsverhaltens eines Fördergases ist ein Radialverdichter-Laufrad (4) vorgesehen, bestehend aus einer Radscheibe (12) und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln (14), wobei die Erzeugende (24a) der Oberfläche der Schaufeln (14) zumindest in einem gekrümmten Teilbereich (26) als eine gekrümmte Linie ausgebildet ist, so dass in diesem Teilbereich (26) die Oberfläche in zwei Richtungen gekrümmt ist.

Description

Beschreibung
Radialverdichter-Laufrad
Die Erfindung betrifft ein Radialverdichter-Laufrad, beste¬ hend aus einer Radscheibe und gleichmäßig in Umfangsrichtung angeordneten Schaufeln mit einer Eintrittskante und einer Austrittskante .
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 Diffu- sor und einem Gehäuse. Das Laufrad weist eine Mehrzahl von gekrümmten Schaufeln auf. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck erfolgt die mechanische Ausführung des Laufrades nach Art ei¬ nes 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.
Das Fördergas wird etwa im Zentrum des Verdichters axial an¬ gesaugt 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 umge¬ setzt und das Fördergas wird weiter komprimiert.
Die Energiewandlung bei Radialverdichtern ist mit entspre- chenden Strömungs-, Reibungs- und Spaltverlusten verbunden, deshalb weisen Radialverdichter eine gewölbte Kennlinie auf. Neben einem hohen Wirkungsgrad wird daher eine stabile Kenn¬ linie angestrebt, welche sich durch einen ansteigenden Förderdruck bei einem abnehmenden Förderstrom auszeichnet. Al- lerdings 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 .
Das Problem der Stabilisierung der Kennlinie eines Radialverdichters ist beispielsweise in der DE 42 14 753 Al 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 ho¬ hen Druckverhältnissen gebildeten werden, abtransportiert werden .
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 Her- stellungsverfahren für ein solches Radialverdichter-Laufrad anzugeben .
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 Aus¬ trittskante, 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 ge¬ krümmt ist.
Die Oberfläche im gekrümmten Teilbereich ist doppeltgekrümmt ausgebildet, d.h. ausgehend von einem Punkt auf der Oberflä- che 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 Teil- bereich 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) .
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 verlau¬ fende 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.
Der Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass eine doppeltgekrümmte Oberfläche besser an die dreidi- mensionale Entwicklung der Strömung angepasst ist und somit ein verbessertes Strömungsverhalten ergibt. Das stabile Strö¬ mungsverhalten führt seinerseits zur Stabilisierung der Verdichterkennlinie und zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Radialverdichters .
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 mil- ling) 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. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein weiterer Teilbereich der Oberfläche der Schaufeln als Regelflächen-Teilbe¬ reich ausgebildet, dessen Erzeugende eine gerade Linie ist. Dieser Teilbereich bildet somit eine Regelfläche, so dass durch jeden Punkt dieses Teilbereichs zumindest eine Gerade verläuft .
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 Verwirbelun- gen durch Ablösung der Strömung aufgrund von Unebenheiten an der Oberfläche erzeugt werden.
Vorzugsweise weisen die Schaufeln eine Nabenkante und eine etwa gegenüberliegende Außenkante auf, wobei der doppeltge¬ krümmte Teilbereich an die Außenkante und der Regelflächen- Teilbereich an die Nabenkante angrenzt. Die Nabenkante ist eine an eine Nabe der Radscheibe angrenzende Kante, sie be¬ findet sich also im unteren Bereich der Schaufel. Die Außenkante liegt etwa gegenüber der Nabenkante. Sie ist bei halb¬ offenen Laufrädern als freie Kante ausgebildet. Bei geschlos¬ senen Laufrädern grenzt sie an die Deckscheibe an. Außen- kante, Nabenkante, Eintrittskante sowie Austrittskante be¬ grenzen die Schaufel, wobei Außenkante und Nabenkante jeweils die Eintrittskante mit der Austrittskante verbinden.
Zweckdienlicherweise erstreckt sich der doppeltgekrümmte Teilbereich und / oder der Regelflächen-Teilbereich von der Eintrittskante bis zur Austrittskante.
Gemäß einer weiteren zweckdienlichen Weiterbildung sind der doppeltgekrümmte Teilbereich und der Regelflächen-Teilbereich etwa gleich groß.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Oberfläche der Schaufeln mehrere doppeltgekrümmte Teilbereiche auf. Insbe- sondere besteht die Oberfläche aus mehreren doppeltgekrümmten und Regelflächen-Teilbereichen, die alternierend angeordnet sind, wodurch die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel verbessert sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung wird erreicht, indem an¬ grenzend an die Nabenkante und an die Außenkante jeweils ein doppeltgekrümmter Teilbereich vorgesehen ist, zwischen denen ein Regelflächen-Teilbereich angeordnet ist.
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.
Die positive Wirkung der Geometrie der Schaufeln auf das sta¬ bile Verhalten der Strömung ist vorteilhafterweise durch eine gekrümmte Eintrittskante verstärkt.
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 be- deutet, dass die Erzeugende des doppeltgekrümmten Teilbe¬ reichs, die sich in Querrichtung der Schaufeln erstreckt, einen Krümmungsverlauf aufweist, der in Längsrichtung der Schaufel variiert.
Die Radscheibe, die Schaufeln und ggf. die Deckscheibe bilden getrennte Einheiten. Die einzelnen Elemente des Laufrads kön¬ nen getrennt hergestellt und später zusammengefügt werden, so dass eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden insbesondere für die Gestaltung der Schaufeln gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichter-Laufrads, welches aus einer Radscheibe und gleichmäßig in Umfangsrich- tung 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 Herstellungspro- zess nicht anwendbar, bei dem der Fräser die Schaufeloberflä¬ che 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 zu- sätzliche Freiheitsgrade bei der Herstellung der Schaufeln gewährleistet. Diese punktuelle Berührung erfolgt beim Stirn¬ fräsen. Entsprechend ist eine hohe Anzahl an Fräsbahnen vorgesehen, um eine ausreichend hohe Oberflächengüte zu errei¬ chen. Durch Stirnfräsen kann insbesondere die ganze Schaufel- Oberfläche, auch im Regelflächen-Teilbereich, gestaltet werden .
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 dop- peltgekrümmten 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 dop¬ peltgekrümmten 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.
Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung.
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 an¬ gebracht ist und die eine Axialrichtung A definiert sowie ei¬ nen Diffusor 8 und eine Deckscheibe 10. Das Laufrad 4 besteht aus einer Radscheibe 12 und einer Mehrzahl an über dem Umfang angeordneten Schaufeln 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 Geschwin¬ digkeit 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 ver- lässt das Fördergas den Radialverdichter wieder in Axialrich- tung.
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 Ausfüh¬ rungsform 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 Zu¬ stand zum Diffusor 8 orientiert ist. Bei einem geschlossenen Laufrad 2 ist die Schaufel 14 mit der Deckscheibe 10 verse¬ hen, 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.
Die Oberfläche der Schaufeln 14 wird durch eine jeweilige Er¬ zeugende 24 definiert. Diese erstreckt sich jeweils in Quer¬ richtung 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 infinite¬ simalen Teiloberflächen zusammen, die jeweils durch unterschiedliche statische Erzeugende definiert sind.
In Querrichtung der Schaufel 14, d.h. zwischen der Nabenkante 20 und der Außenkante 22, ist die Oberfläche in einen dop¬ peltgekrümmten Teilbereich 26 und einen Regelflächen-Teilbereiche 28 aufgeteilt. Der doppeltgekrümmte Teilbereich 26 grenzt an die Außenkante 22 an und erstreckt sich in Längs¬ richtung von der Eintrittskante 16 bis zur Austrittskante 18. Der Regelflächen-Teilbereich 28 grenzt an die Nabenkante 20 und erstreckt sich ebenfalls wie der doppeltgekrümmte Teilbe¬ reich 26 entlang der ganzen Schaufel 14. Die zwei Teilberei- che 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. Aufgrund der beiden Teilbereiche 26, 28 ist auch die Erzeu¬ gende 24 in einen gekrümmten Bereich 24a und einen Regelflächen-Bereich 24b unterteilt, die ineinander stetig übergehen. Insbesondere durch die dreidimensionale Krümmung im doppelt¬ gekrümmten Teilbereich 26 ist die Form der Schaufel 14 an die Strömungsanforderungen hinsichtlich der Stabilisierung der Strömung angepasst.
Die komplexe Geometrie der Schaufeln 14 erfordert eine Her¬ stellungsmethode, die Freiheitsgrade in allen drei Raumrich¬ tungen 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.
Eine weitere Ausführungsform der Schaufel 14 ist in FIG 3a und FIG 3b dargestellt. Die Schaufel 14 weist für ihre ge¬ samte 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 Strö¬ mungsrichtung F von der Eintrittskante 16 bis zur Austritts¬ kante 28 verändert. In der Seitenansicht in FIG 3a weist die Schaufel eine konvex gekrümmte Eintrittskante 16 auf.
Im Ausführungsbeispiel der FIG 4a und FIG 4b ist die Erzeu¬ gende 24 der in Bezug auf die Drehrichtung D führenden Schaufeloberfläche konkav gekrümmt. Auch sind hier wie im Ausfüh¬ rungsbeispiel der FIG 2a und 2b ein doppeltgekrümmter Teil¬ bereich 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 Schau¬ feln 14 veranschaulicht, nämlich eine in der Seitenansicht in FIG 4a konkav gekrümmte Eintrittskante 16, welche die aero¬ dynamischen Eigenschaften der Schaufel 14 verbessert.
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 Eintritts¬ kante 16 wieder gekrümmt ausgebildet. Die einzelnen Teilbe- reiche 26, 28 sind in etwa gleich groß.
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 entgegenge¬ setzt gekrümmten Bereichen 24a zusammen, die über einen Regelflächen-Bereich 24b miteinander verbunden sind. Es sind daher auch hier zwei randseitige, doppeltgekrümmte Teilberei¬ che 26 sowie ein dazwischen angeordneter Regelflächen-Teilbe- reich 28 vorgesehen.
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 Ausführungs¬ beispiel nach FIG 3a, 3b bildet der gekrümmte Teilbereich 26 100% oder nahezu 100 % der Gesamtoberfläche.
Die Teilbereiche 26, 28 sind in den Figuren nur grob durch die gestrichelte Linie angedeutet. Da sich der Krümmungsver¬ lauf 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. Das Betriebsverhalten des Radialverdichters 2 für eine be¬ stimmte Drehzahl ist qualitativ anhand des Diagramms in FIG 7 durch eine Verdichterkennlinie VK beschrieben. In diesem Dia¬ gramm ist das Druckverhältnis — über den Volumenstrom V
dargestellt, wobei p der Förderdruck am Austritt des Verdich¬ ters 2 und P0 der Ansaugdruck an der Eintrittskante 16 ist. Die Kennlinie VK ist auf der linken Seite durch die Pump¬ grenze S begrenzt. Dort löst sich die Strömung bei zu kleinen Volumenströmen und zu hohen Druckverhältnissen von den Schau- fein 14 ab. Der Punkt auf der Kennlinie VK, in dem das pas¬ siert, ist der Abreißpunkt W. Der Betriebspunkt B des Radial¬ verdichters 2 ist der Schnittpunkt der Verdichterkennlinie VK mit einer Anlagenkennlinie AK. In der Regel wandert B auf der Verdichterkennlinie VK in Abhängigkeit von den Anlagenparame- tern.
Um die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaufeln 14 auf die Eigenschaften des Radialverdichters 2 zu verdeutlichen, sind die Verdichterkennlinie VK x und den dazugehören Abreißpunkt Wx und Pumpgrenze S x eines herkömmlichen Radialverdichters angezeigt. Dank der verbesserten Aerodynamik der Schaufeln 14 ist der Anstieg der Kennlinie VK in Richtung Pumpgrenze stei¬ ler. Dies führt dazu, dass der Betriebspunkt B bei höheren Druckverhältnissen als der Betriebspunkt B x eines herkömmli- chen Radialverdichters liegt, wenn die zwei Verdichter etwa die gleiche Menge an Fördergas fördern, so dass ein höher Wirkungsgrad des Radialverdichters 2 erreicht ist. Eine wei¬ tere Verbesserung der Verdichterkennwerten ist die Verschiebung des Abreißpunkts W zu niedrigeren Volumenströmen V als der Abreißpunkt W x eines üblichen Radialverdichters. Somit wird das Strömungsverhalten des Fördergases stabilisiert und der Radialverdichter 2 funktioniert bei niedrigen Volumenströmen V immer noch einwandfrei und sicher.

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Radialverdichter-Laufrad (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von dem doppeltgekrümmten Teilbereich (26) zum Regelflächen-Teilbereich (26, 28) stetig ist.
4. 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.
5. 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.
6. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der doppeltgekrümmte Teilbereich (26) und der Regelflä¬ chen-Teilbereich (28) etwa gleich groß sind.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehen- den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskante (16) gekrümmt ist.
11. 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 .
12. Radialverdichter-Laufrad (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (12), die Schaufeln (14) und / oder eine Deckscheibe getrennte Einheiten bilden.
13. Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichter-Lauf- rads (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 Schau¬ feln (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.
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