EP3183460A1 - Laufrad einer radialturbofluidenergiemaschine, stufe - Google Patents

Laufrad einer radialturbofluidenergiemaschine, stufe

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EP3183460A1
EP3183460A1 EP15787923.0A EP15787923A EP3183460A1 EP 3183460 A1 EP3183460 A1 EP 3183460A1 EP 15787923 A EP15787923 A EP 15787923A EP 3183460 A1 EP3183460 A1 EP 3183460A1
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EP
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impeller
hub
wheel disc
imp
radial
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Withdrawn
Application number
EP15787923.0A
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English (en)
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Werner Jonen
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
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Definitions

  • the invention relates to an impeller of a radial turbofluid energy machine comprising: a wheel disk, a cover disk, blades and a hub.
  • the hub is in this case in such a manner out ⁇ forms to be mounted on a guide extending along an axis shaft, the wheel disc extending radially from the hub, starting substantially, the cover ⁇ disc is connected by means of the blades of the wheel disc, in such a way that mutually sepa- flow channels are defined between the wheel disc and the cover disc by the blades in the circumferential direction in at least one radial portion of the impeller in the circumferential direction, the impeller ei ⁇ NEN first flow path passage having in a substantially axial direction in radial proximity to the hub, the impeller has a second flow path passage in the substantially radial direction radially further away from the hub than the first flow path passage.
  • the invention employs be ⁇ itself comprising a so defined impeller with a step.
  • the invention also proposes a method for producing a flow-wetted rotating component of a fluid energy machine.
  • turbofluid energy machines are known as compressors or expanders.
  • the radial design of an impeller is in this case possible in an open or closed manner, the invention deals with the closed impeller, so that a cover disc relative to the wheel disc, the individual flow channels axially and radially defined.
  • the invention has set itself the task of bringing about improvements in the efficiency of radial turbofluid energy machines of the type mentioned at the outset, without increasing the previously necessary manufacturing outlay.
  • an impeller of the type defined at the beginning is proposed with the additional features of the characterizing portion of independent claim 1.
  • a stage according to the dependent claim 8 is proposed.
  • the respective dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • the invention is in their terminology assumes that currency ⁇ rend the production of the corresponding components of the impeller according to the invention (cover disc, wheel disk, the blades and hub) a uniform roughness is first provided, and this roughness in accordance with the invention defined jeweili ⁇ gene regions by a additional treatment is reduced. In this way, there are always surface areas in which there is a lower roughness and other areas in which this treatment was not carried out and where, on the other hand, there is an increased roughness. In principle, it is also conceivable according to the invention that a roughening of the other regions takes place in relation to the regions which are reduced in roughness. However, this variant is less preferred.
  • the hub is introduced as at least separate term.
  • the hub with the wheel disc is formed in one piece and accordingly only mentally separated because of the function of the connection with the shaft.
  • the hub, the wheel disc and the blades are integrally formed or even made of a single blank.
  • the cover plate, the blades, the wheel disc and the hub are integrally formed or even made of a single blank, for example by means of modern milling ⁇ method or by erosion.
  • a production by means of additive manufacturing x is conceivable.
  • a realization of the invention is that the local flow rate conventionally often not meaningful adapted to a given local surface roughness. This results in high pressure losses caused by friction in the areas where high local flow velocities coincide with high roughnesses.
  • the invention therefore proposes to carry out the flow-wetted surface with a smaller roughness in the region of high flow velocities than in the region of lower flow velocities.
  • the invention also proposes a method for generating a flow-wetted rotating component of a fluid energy machine, comprising the steps of: a. fluidic design of the component,
  • An advantageous development of the method provides that the component is produced from a one-piece blank. Another advantageous development of the invention provides that the component is formed in one piece, wherein be ⁇ preferably no non-destructive detachable components are provided on the component.
  • a further advantageous Wide Erbil ⁇ dung of the invention provides that are subjected to in a manufacturing step surface portions belonging to a first group of Oberflä ⁇ chen Schemeen a treatment which reduces the surface roughness.
  • a further advantageous development of the invention provides that, in a further method step, surface areas which are assigned to a second group of surface areas are subjected to a treatment which increases the surface roughness.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section along an axis of a rotor of a radial turbine fluid energy machine by he ⁇ invention according impeller
  • Figure 2 is a detail view according to II on Figure 2
  • Figure 3 is a flow chart for an inventive
  • FIG. 1 shows an impeller IMP a Radialturbofluidenergy ⁇ machine RTF, which is shown here fragmentary with a step STA schematically.
  • the impeller IMP is flowed through by a flow fluid PF in operation as a compressor along a main flow direction MFD.
  • the process fluid PF flows along a main flow direction MFD ⁇ which is opposite to the main flow direction MFD for the compressor.
  • the impeller IMP comprises a wheel disc SW, blades BL and a cover plate CW, the wheel disc SW encloses a hub HB ⁇ .
  • the impeller IMP is mounted on a shaft SH, not shown, which extends along a rotation axis X.
  • this rotation axis X are consequently all terms that can be applied to an axis be ⁇ draw, for example, axial, radial, circumferential direction, etc., based, if not otherwise stated.
  • the blade BL is three-dimensionally designed over the width direction of the flow channel FC ver ⁇ wound. This design is typical of wheels that have a high absorption capacity.
  • the blades BL extend not only in the substantially radially extending portion of the flow channel FC but also in the axially extending portion.
  • the wheel disc SW extends substantially radially from the hub HB.
  • the cover plate CW is by means of
  • Blades BL connected to the wheel disc SW are separated by the blades BL in the circumferential direction in at least one radial region of the impeller IMP Flow channels FC.
  • Flow channels FC In the radial regions in which the blade BL does not extend, there is no separation in the circumferential direction of the flow channel FC, wherein furthermore a common flow channel is defined radially and axially by the wheel disc SW and the cover disc SC.
  • Substantially in the middle between the wheel disc SW and the cover plate CW extends from an axial ⁇ direction in the region of the inflow in the case of the compressor, the main flow direction MFD along a deflection in the direction of the radial to an exit from the impeller IMP.
  • the section of the impeller IMP designated as Ein ⁇ kick in the case of the radial turbocompressor is referred to in the sense of generality in the terminology of the invention as the first flow path passage Ol.
  • the exit is referred to as a second flow path passage 02.
  • the impeller is surrounded by a stator IMP STO, who called at a distance between the impeller and the stator IMP STO so-wheel side WSC both sides of the impeller IMP defi ned ⁇ .
  • the wheel side space WSC is sealed by means of a shaft seal designed as a labyrinth seal, so that an unwanted bypass flow through the wheel side space WSC does not pass the flow channel FC of the impeller IMP.
  • a similar seal is not Darge ⁇ is on the right side of the impeller IMP in practice as well.
  • the flow channel FC of the impeller IMP opens into an annular space RC of the stator STO in the radial direction, so that in the case of the compressor, the process fluid FD can flow out of the impeller IMP in fortge ⁇ set outflow direction MFD and optionally in a final feedback stage, not shown to a another impeller IMP or in a collecting space is led to the outflow from the radial turbofluid energy machine RTF.
  • the wheel disc SW facing surface of the cover slip ⁇ be CW is at least partially, in the example completeness ⁇ dig, formed with a lower roughness than the cover plate facing surface of the wheel disc SW.
  • the blades BL in a closer and adjacent to the cover disk lying CW first Schaufeloberflä ⁇ chen Scheme BLA1 have a lower roughness than a second to the cover disk lying CW further blade surface area BLA2 of the blades. Furthermore, it is provided that the first blade surface area BLA1 has a decreasing portion of the flow channel FC perpendicular to the main flow direction MFD as it is more distant from the hub HB. Specifically, in the illustrated case of a blade BL formed three-dimensionally over the width direction of the flow channel FC, the first one extends
  • Blade surface area BLA1 in the section closest to the hub HB over more than 40% of the width of Strö ⁇ tion channel FC perpendicular to the main flow direction MFD and continuously reduced to the hub HB farest section in the radial direction to less than 35% of the width the flow channel FC perpendicular to the main flow ⁇ direction MFD.
  • the cover ticket ⁇ be CW is executed on the side facing away from the blades BL surface in a third surface region CWA3 with a lower roughness than in any other area CWA4 fourth surface.
  • the third surface area CWA3 extends radially over a radially outer up to 50% portion of the radial extent of the cover plate CW.
  • the smallest diameter of the reduced roughness is indicated by DRZ, the range extending to the outermost diameter D2 of the impeller IMP.
  • the smallest diameter of the reduced roughness DRZ is identical for the cover plate CW and for the wheel disc SW. In practice you can the respective diameters cover disc side and wheel disc side differ.
  • the wheel disc has less roughness on the surface applied by the blades BL in a fifth surface area SWA5 than in any other sixth surface area SWA6.
  • the fifth surface area SWA5 is radially expanded over an outer to 50% portion of the radial extent of the wheel disc.
  • a radially outer, circumferentially extending annular edge surface ES of both the cover plate CW and the wheel disc SW is each filled with a lower roughness than the other ⁇ areas that have no clotting ⁇ roughness.
  • these lower roughness is applied to the outermost edges of the show ⁇ feln BL.
  • FIG. 3 shows schematically a course diagram of a method according to the invention for generating a component wetted by a flow COM of a fluid energy machine FEM.
  • a fluid energy machine FEM This may be, for example, an impeller IMP or a part of a stage STA which is wetted by flow.
  • the method envisages producing the wetted component COM from a blank GRN.
  • a the fluidic design of the component COM is based on the thermodynamic data THD.
  • the first step of the design is the basis for the second step b.,
  • a limit value LIM is set for a first quotient QOL arising from the flow velocity VL of surface areas SUA the component COM at a distance ⁇ divided by a collectorsge ⁇ speed UV based in each case to a design operating point.
  • This overflow speed VL is the corresponding fluidic calculation at a certain distance ⁇ refer to the actual component surface.
  • the peripheral speed results from the Design operating point directly from the respective diameter and the speed (n, co). While in the example of FIG. 3 only a limit value LIM for the first quotient QO1 is defined, it is possible that in the context of the invention certain quotient value ranges are also defined by lower and upper limit values
  • Steps are assigned to surface areas SUA, in which various roughnesses are to be provided in the context of production.
  • a surface area SUA is determined which lies above the limit value LIM with respect to the first quotient QOl. Accordingly, in the embodiment of FIG. 3, the surface of the component COM is divided into two groups, a group for which the first quotient QOl is above the limit LIM and a group for which the first quotient QOl is below the limit LIM.
  • a fourth step d. deals with the production of the component COM from a blank and the production of at least two different roughnesses RZ for the surface areas SUA.
  • the blank GRN can be present as a rough workpiece for milling from the solid, as a semi-finished product, in parts or else in the form of a powder for sintering or as another raw material for producing the component COM.
  • Decisive in the context of the invention is that a surface finish is produced in a processing step according to the invention.
  • a first lower roughness RZ is generated in at least some surface areas SUA in which the overflow velocity VL is above the limit LIM.
  • a higher roughness RZ is generated or left in at least some surface areas SUA, in which the overflow velocity VL is below the limit LIM.
  • the result of the method according to the invention is the construction part COM of a fluid energy machine FEM.

Landscapes

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (IMP) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RTF) umfassend - eine Radscheibe (SW), - eine Deckscheibe (CW), - Schaufeln (BL), - eine Nabe (HB), wobei die Nabe (HB) derart ausgebildet ist, auf einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) montiert zu werden, wobei die Radscheibe (SW) sich von der Nabe (HB) ausgehend im Wesentlichen radial erstreckt, wobei die Deckscheibe (CW) mittels der Schaufeln (BL) mit der Radscheibe (SW) verbunden ist, derart, dass zwischen der Radscheibe (SW) und der Deckscheibe (CW) durch die Schaufeln (BL) in Umfangsrichtung in mindestens einem Radialbereich des Laufrads (IMP) in Umfangsrichtung voneinander getrennte Strömungskanäle (FC) definiert sind, wobei das Laufrad (IMP) einen ersten Strömungspfaddurchtritt (O1) in im Wesentlichen axialer Richtung in radialer Nähe zu der Nabe (HB) aufweist, wobei das Laufrad (IMP) einen zweiten Strömungspfaddurchtritt (O2) in im Wesentlichen radialer Richtung radial weiter entfernt von der Nabe (HB) aufweist als der erste Strömungspfaddurchtritt (O1). Zur Reduktion von Verlusten der Strömung bei gleichzeitig optimiertem Fertigungsaufwand wird vorgeschlagen, dass die der Radscheibe (SW) zugewendete Oberfläche der Deckscheibe (CW) zumindest bereichsweise eine geringere Rauheit aufweist als die der Deckscheibe (CW) zugewendete Oberfläche der Radscheibe (SW). Daneben schlägt die Erfindung eine entsprechende Stufe, ein Verfahren zur Erzeugung eines umströmten Bauteils und ein entsprechend hergestelltes Bauteil vor.

Description

Beschreibung
Laufrad einer Radialturbofluidenergiemaschine, Stufe Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Radialturbofluid¬ energiemaschine umfassend: eine Radscheibe, eine Deckscheibe, Schaufeln und eine Nabe. Die Nabe ist hierbei derart ausge¬ bildet, auf einer sich entlang einer Achse erstreckenden Welle montiert zu werden, wobei die Radscheibe sich von der Nabe ausgehend im Wesentlichen radial erstreckt, wobei die Deck¬ scheibe mittels der Schaufeln mit der Radscheibe verbunden ist, derart, dass zwischen der Radscheibe und der Deckscheibe durch die Schaufeln in Umfangsrichtung in mindestens einem Radialbereich des Laufrads in Umfangsrichtung voneinander ge- trennte Strömungskanäle definiert sind, wobei das Laufrad ei¬ nen ersten Strömungspfaddurchtritt in im Wesentlichen axialer Richtung in radialer Nähe zu der Nabe aufweist, wobei das Laufrad einen zweiten Strömungspfaddurchtritt in im Wesentli¬ chen radialer Richtung radial weiter entfernt von der Nabe aufweist als der erste Strömungspfaddurchtritt . Daneben be¬ schäftigt sich die Erfindung mit einer Stufe umfassend ein derart definiertes Laufrad.
Daneben schlägt die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Erzeugung eines von einer Strömung benetzten rotierenden Bau- teils einer Fluidenergiemaschine vor.
Derartige Turbofluidenergiemaschinen sind als Verdichter oder Expander bekannt. Die radiale Bauweise eines Laufrades ist hierbei in offener oder geschlossener Art möglich, wobei die Erfindung sich mit dem geschlossenen Laufrad beschäftigt, so dass eine Deckscheibe gegenüber der Radscheibe die einzelnen Strömungskanäle axial und radial definiert. Bei der
Durchströmung und Umströmung von radialen Laufrädern entstehen an den strömungsbenetzten Oberflächen reibungsbedingte Druckverluste, die den Wirkungsgrad der Turbomaschine redu¬ zieren. Bei jeweils gegebenen Betriebsbedingungen bezüglich der Gasart, des Drucks und der Temperatur sind die lokalen reibungsbedingten Druckverluste abhängig von der lokalen Strömungsgeschwindigkeit sowie der lokalen Rauheit der strö- mungsbenetzten Oberfläche.
Aus der EP 0 593 797 Bl ist es bereits bekannt, die Rauheit von Bauteilen gezielt einzusetzen, dadurch bedingte Auswirkungen auf die Strömung zu verändern und diese Erkenntnis auf einen radialen Turboverdichter anzuwenden.
Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, Wirkungsgradverbesserungen an radialen Turbofluidenergiemaschi- nen der eingangs genannten Art herbeizuführen, ohne den bisher notwendigen Fertigungsaufwand zu erhöhen. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Laufrad der eingangs defi- nierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen. Außerdem wird eine Stufe gemäß dem abhängigen Anspruch 8 vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung geht in ihrer Terminologie davon aus, dass wäh¬ rend der Fertigung an den entsprechenden Komponenten des erfindungsgemäßen Laufrads (Deckscheibe, Radscheibe, Schaufeln und Nabe) zunächst eine einheitliche Rauheit vorgesehen ist und diese Rauheit in den erfindungsgemäß definierten jeweili¬ gen Bereichen durch eine zusätzliche Behandlung herabgesetzt wird. Auf diese Weise entstehen stets Oberflächenbereiche, in denen eine niedrigere Rauheit ist und sonstige Bereiche, in denen diese Behandlung nicht durchgeführt wurde und wo eine demgegenüber erhöhte Rauheit vorliegt. Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch denkbar, dass eine Aufrauhung der übrigen Bereiche gegenüber den Bereichen erfolgt, die in der Rauigkeit reduziert sind. Diese Variante ist jedoch weniger bevorzugt .
Große Druckverluste treten dort auf, wo die lokalen Strö¬ mungsgeschwindigkeiten und die lokalen Rauheiten der überströmten Oberflächen groß sind. Üblicherweise wird für die Strömungsbenetzen Oberflächen der eingangs genannten Laufräder, die auch als Radialräder bezeichnet werden, sowohl im Schaufelkanal - also hinsichtlich der Schaufeloberflächen bzw. der Laufradkanalgründe im Inneren des Laufrades - als auch außen auf der Radscheibe bzw. auf der Deckscheibe eine jeweils einheitliche maximal zulässige Rauheit gefordert. Diese Rauheit ist beispielsweise mit der genormten Bezeich¬ nung RZ12 angegeben. Diese einheitliche Rauheit wird insbe¬ sondere dann gefordert, wenn die entsprechenden Oberflächen aus einem Bauteil bzw. Rohling erzeugt werden bzw. einen gemeinsamen abschließenden Fertigungsgang erfahren.
Aus den Druckschriften US 2007/0 134 086 AI, US 2 471 174 AI, EP 0 593 797 81, WO 2013/162 896 AI sind bereits Turbomaschi- nen bekannt, die zum Teil gattunsgemäße Merkmale aufweisen.
Die bisherige Praxis, das Laufrad und entsprechende Bauteile der Turbofluidenergiemaschine, die von der Strömung benetzt sind, mit einer einheitlichen Oberflächengüte auszubilden, führt zu einem hohen Fertigungsaufwand und hohen Kosten bei dem Versuch, dadurch bedingte Strömungsverluste zu minimie¬ ren. Entsprechende Polieraufgaben und Maßnahmen zur Herabsetzung der Oberflächenrauheit sind häufig in Handarbeit auszu¬ führen und daher sehr teuer. Die Erfindung vermeidet einen Teil dieser Kosten.
In der obigen gattungsgemäßen Definition des Laufrads ist die Nabe als zumindest separater Begriff eingeführt. In der Regel ist die Nabe mit der Radscheibe einstückig ausgebildet und dementsprechend nur gedanklich wegen der Funktion der Verbindung mit der Welle separiert. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Nabe, die Radscheibe und die Schaufeln einstückig ausgebildet sind oder sogar aus einem einzigen Rohteil gefertigt sind. Daneben ist es außerdem möglich, dass die Deckscheibe, die Schaufeln, die Radscheibe und die Nabe einstückig ausgebildet sind oder sogar aus einem einzigen Rohteil gefertigt sind, beispielsweise mittels moderner Fräs¬ verfahren oder mittels Erodierens. Im Zuge neuster Entwick- lungen ist auch eine Herstellung mittels , Additive Manufactu- ringx denkbar.
Eine erfindungsgemäße Erkenntnis liegt darin, dass die lokale Strömungsgeschwindigkeit herkömmlich häufig nicht sinnvoll an eine gegebene lokale Oberflächenrauheit angepasst ist. Da¬ durch entstehen hohe reibungsbedingte Druckverluste in den Bereichen, wo hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten mit hohen Rauigkeiten zusammentreffen. Die Erfindung schlägt daher vor, im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten die strö- mungsbenetzte Oberfläche mit kleinerer Rauheit auszuführen als im Bereich kleinerer Strömungsgeschwindigkeiten.
Daneben schlägt die Erfindung außerdem ein Verfahren zur Er- zeugung eines von einer Strömung benetzten rotierenden Bauteils einer Fluidenergiemaschine vor, mit den Schritten: a. strömungstechnische Auslegung des Bauteils,
b. Festlegung mindestens eines Grenzwertes für einen ersten Quotient aus der Überströmungsgeschwindigkeit von
Oberflächenbereichen des Bauteils in einem Abstand δ geteilt durch eine Umfangsgeschwindigkeit jeweils bezogen auf einen Auslegungsbetriebspunkt,
c. Bestimmung von Oberflächenbereichen des Bauteils, in denen der erste Quotient über dem Grenzwert liegt, d. Erzeugung des Bauteils unter Erzeugung mindestens zweier verschiedener Rauheiten für Oberflächenbereiche, einer ersten niedrigeren Rauheit in zumindest einigen Oberflächenbereichen, in denen der erste Quotient über dem Grenzwert liegt und Erzeugung oder Belassen einer höheren Rauheit in zumindest einigen Oberflächenberei¬ chen, in denen der erste Quotient unter dem Grenzwert liegt . Daneben beschäftigt sich die Erfindung mit einem Bauteil, das gemäß dem vorab definierten Verfahren erzeugt wurde. Besonders bevorzugt ist hierbei das Laufrad einer Radialturbo- fluidenergiemaschine, insbesondere eines Radialturboverdich¬ ters .
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Bauteil aus einem einstückigen Rohling erzeugt wird. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil einstückig ausgebildet ist, wobei be¬ vorzugt keine zerstörungsfrei lösbaren Bestandteile an dem Bauteil vorgesehen sind. Eine weitere vorteilhafte Weiterbil¬ dung der Erfindung sieht vor, dass in einem Fertigungsschritt Oberflächenbereiche, die zu einer ersten Gruppe von Oberflä¬ chenbereichen gehören einer Behandlung unterzogen werden, die die Oberflächenrauheit herabsetzt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in einem weiteren Verfahrensschritt Oberflächenbereiche, die einer zweiten Gruppe von Oberflächenbereichen zugeordnet sind, einer Behandlung unterzogen werden, die die Oberflächenrauheit erhöht .
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be¬ schrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt entlang einer Achse eines Rotors einer Radialturbofluidenergiemaschine durch ein er¬ findungsgemäßes Laufrad,
Figur 2 eine Detailansicht gemäß II auf Figur 2 Figur 3 eine Verlaufsdiagramm für ein erfindungsgemäßes
Verfahren .
Figur 1 zeigt ein Laufrad IMP einer Radialturbofluidenergie¬ maschine RTF, die hier ausschnittsweise mit einer Stufe STA schematisch wiedergegeben ist. Das Laufrad IMP wird von einem Strömungsfluid PF im Betrieb als Verdichter entlang einer Hauptströmungsrichtung MFD durchströmt. Wird das Laufrad IMP in einer als Turbine ausgebildeten Radialturbofluidenergiema- schine eingesetzt, strömt das Prozessfluid PF entlang einer Hauptströmungsrichtung MFD λ die entgegengesetzt der Hauptströmungsrichtung MFD für den Verdichter gerichtet ist. Wenn in der Folge auf eine konkrete Hauptströmungsrich- tung MFD, MFD λ Bezug genommen wird, wird dies auf einer Aus¬ bildung der Radialturbofluidenergiemaschine RTF als Verdich¬ ter getan, ohne die Erfindung auf einen Verdichter einzuschränken . Das Laufrad IMP umfasst eine Radscheibe SW, Schaufeln BL und eine Deckscheibe CW, wobei die Radscheibe SW eine Nabe HB um¬ fasst. Mittels der Nabe HB wird das Laufrad IMP auf eine nicht dargestellte Welle SH montiert, die sich entlang einer Rotationsachse X erstreckt. Auf diese Rotationsachse X sind in der Folge sämtliche Begriffe, die sich auf eine Achse be¬ ziehen lassen, beispielsweise axial, radial, Umfangsrichtung, usw., bezogen, wenn dies nicht anders angegeben ist.
In dem dargestellten Beispiel ist die Schaufel BL dreidimen- sional über die Breitenrichtung des Strömungskanals FC ver¬ wunden gestaltet. Diese Gestaltung ist typisch für Laufräder, die ein hohes Schluckvermögen aufweisen. Die Schaufeln BL erstrecken sich nicht nur in dem im Wesentlichen radial verlaufenden Abschnitt des Strömungskanals FC sondern auch in dem axialer verlaufenden Abschnitt.
Eine Anwendung der Erfindung auf Laufräder IMP mit Schaufeln BL, die sich im Wesentlichen in dem sich radial erstreckenden Abschnitt befinden ist auch zweckmäßig. Diese Laufrä¬ der IMP sind häufiger in sogenannten Hochdruckverdichtern eingesetzt und weisen meist im Wesentlichen zylindrisch gestaltete Schaufeln BL auf.
Die Radscheibe SW erstreckt sich ausgehend von der Nabe HB im Wesentlichen radial. Die Deckscheibe CW ist mittels der
Schaufeln BL mit der Radscheibe SW verbunden. Auf diese Weise ergeben sich zwischen der Radscheibe SW und der Deckscheibe CS durch die Schaufeln BL in Umfangsrichtung in mindestens einem Radialbereich des Laufrads IMP voneinander getrennte Strömungskanäle FC. In den Radialbereichen, in denen die Schaufel BL sich nicht erstreckt, liegt keine Trennung in Um- fangsrichtung des Strömungskanals FC vor, wobei weiterhin ein gemeinsamer Strömungskanal radial und axial durch die Rad- scheibe SW und die Deckscheibe SC definiert ist.
Im Wesentlichen in der Mitte zwischen der Radscheibe SW und der Deckscheibe CW erstreckt sich ausgehend von einer Axial¬ richtung im Bereich der Einströmung im Falle des Verdichters die Hauptströmungsrichtung MFD entlang einer Umlenkung in Richtung der Radialen bis zu einem Austritt aus dem Laufrad IMP. Der für den Fall des Radialturboverdichters als Ein¬ tritt bezeichnete Abschnitt des Laufrads IMP ist im Sinne der Allgemeingültigkeit in der Terminologie der Erfindung als erster Strömungspfaddurchtritt Ol bezeichnet. Analog ist der Austritt als zweiter Strömungspfaddurchtritt 02 bezeichnet.
Das Laufrad IMP ist von einem Stator STO umgeben, der mit einem Abstand zwischen dem Laufrad IMP und dem Stator STO soge- nannte Radseitenräume WSC beidseitig des Laufrades IMP defi¬ niert .
Exemplarisch ist linksseitig des Laufrads IMP dargestellt, wie der Radseitenraum WSC mittels einer als Labyrinthdichtung ausgebildeten Wellendichtung abgedichtet ist, damit es nicht zu einer ungewollten Beipassströmung durch den Radseitenraum WSC an dem Strömungskanal FC des Laufrades IMP vorbei kommt. Eine analoge Abdichtung befindet sich nicht darge¬ stellt auf der rechten Seite des Laufrades IMP in der Praxis ebenfalls. Der Strömungskanal FC des Laufrades IMP mündet in einen Ringraum RC des Stators STO in radialer Richtung, so dass im Falle des Verdichters das Prozessfluid FD in fortge¬ setzter Ausströmungsrichtung MFD aus dem Laufrad IMP abströmen kann und sich gegebenenfalls in eine nicht dargestellte abschließende Rückführstufe zu einem weiteren Laufrad IMP oder in einen Sammelraum geführt wird zur Abströmung aus der Radialturbofluidenergiemaschine RTF . Die der Radscheibe SW zugewendete Oberfläche der Deckschei¬ be CW ist zumindest bereichsweise, in dem Beispiel vollstän¬ dig, mit einer geringeren Rauheit ausgebildet als die der Deckscheibe zugewendete Oberfläche der Radscheibe SW. Hierbei ist vorgesehen, dass die Schaufeln BL in einem näher und angrenzend der Deckscheibe CW liegenden ersten Schaufeloberflä¬ chenbereich BLA1 eine geringere Rauheit aufweisen als ein zweiter zu der Deckscheibe CW fernerliegender Schaufeloberflächenbereich BLA2 der Schaufeln. Weiterhin ist vorgesehen, dass der erste Schaufeloberflächenbereich BLA1 mit zunehmender Ferne von der Nabe HB einen abnehmenden Anteil des Strömungskanals FC senkrecht zur Hauptströmungsrichtung MFD aufweist. Im Einzelnen erstreckt - in dem dargestellten Fall einer dreidimensional über die Breitenrichtung des Strömungska- nals FC verwunden gestalteten Schaufel BL - sich der erste
Schaufeloberflächenbereich BLA1 in dem Abschnitt, der der Nabe HB am nächsten ist, über mehr als 40% der Breite des Strö¬ mungskanals FC senkrecht zur Hauptströmungsrichtung MFD und verkleinert sich kontinuierlich bis zum der Nabe HB fernsten Abschnitt in Radialrichtung auf weniger als 35% der Breite des Strömungskanals FC senkrecht zur Hauptströmungsrich¬ tung MFD.
Neben dem Inneren des Laufrads IMP ist auch ein Teil der äu- ßeren Oberfläche des Laufrads IMP zum Zwecke der Verlustre¬ duktion hinsichtlich der Rauheit angepasst. Die Deckschei¬ be CW ist auf der von den Schaufeln BL abgewendeten Oberfläche in einem dritten Oberflächenbereich CWA3 mit einer geringeren Rauheit ausgeführt als in einem sonstigen vierten Ober- flächenbereich CWA4. Der dritte Oberflächenbereich CWA3 erstreckt sich hierbei radial über einen radial äußeren bis zu 50%igen Anteil der Radialerstreckung der Deckscheibe CW. In der Zeichnung ist der kleinste Durchmesser der reduzierten Rauheit mit DRZ angeben, wobei sich der Bereich bis zu dem äußersten Durchmesser D2 des Laufrades IMP erstreckt. In dem konkreten Ausführungsbeispiel ist der geringste Durchmesser der reduzierten Rauheit DRZ für die Deckscheibe CW und für die Radscheibe SW identisch ausgebildet. In der Praxis können die jeweiligen Durchmesser deckscheibenseitig und radschei- benseitig sich unterscheiden. Die Radscheibe weist auf der von den Schaufeln BL angewendeten Oberfläche in einem fünften Oberflächenbereich SWA5 eine geringere Rauheit auf als in ei- nem sonstigen sechsten Oberflächenbereich SWA6. Zweckmäßig ist der fünfte Oberflächenbereich SWA5 sich radial über einen äußeren bis 50%igen Anteil der radialen Erstreckung der Radscheibe ausgedehnt ausgebildet. Eine radial äußere, sich in Umfangsrichtung erstreckende ringförmige Kantenfläche ES sowohl der Deckscheibe CW als auch der Radscheibe SW ist jeweils mit einer geringeren Rau¬ heit als die sonstigen Bereiche ausgefüllt, die keine gerin¬ gere Rauheit aufweisen. Vorteilhaft und zweckmäßig ist diese geringere Rauheit auch auf die äußersten Kanten der Schau¬ feln BL angewendet.
Figur 3 zeigt schematisch ein Verlaufsdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines von einer Strö- mung benetzten Bauteils COM einer Fluidenergiemaschine FEM. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Laufrad IMP oder ein Teil einer Stufe STA handeln, das strömungsbenetzt ist. Ausgehend von thermodynamischen Daten THD sieht das Verfahren vor, aus einem Rohling GRN das benetzte Bauteil COM zu erzeu- gen.
In einem ersten Schritt a. erfolgt die strömungstechnische Auslegung des Bauteils COM anhand der thermodynamischen Daten THD. Der erste Schritt der Auslegung ist Grundlage für den zweiten Schritt b., in dem ein Grenzwert LIM festgelegt wird, für einen ersten Quotienten QOl aus der Überströmungsgeschwindigkeit VL von Oberflächenbereichen SUA des Bauteils COM in einem Abstand δ geteilt durch eine Umfangsge¬ schwindigkeit UV jeweils bezogen auf einen Auslegungsbe- triebspunkt. Diese Überströmungsgeschwindigkeit VL ist der entsprechenden strömungstechnischen Berechnung in einem bestimmten Abstand δ von der eigentlichen Bauteiloberfläche zu entnehmen. Die Umfangsgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Auslegungsbetriebspunkt direkt aus dem jeweiligen Durchmesser und der Drehzahl (n, co ) . Während in dem Beispiel der Figur 3 lediglich ein Grenzwert LIM für den ersten Quotienten QOl festgelegt wird, ist es möglich, dass im Rahmen der Erfindung auch von unteren und oberen Grenzwerten bestimmte Quotienten- Wertebereiche festgelegt werden, denen in nachfolgenden
Schritten Oberflächenbereiche SUA zugeordnet werden, in denen im Rahmen der Fertigung verschiedene Rauheiten vorzusehen sind .
In einem dritten Schritten c. wird anhand des Grenzwertes LIM ein Oberflächenbereich SUA festgelegt, der hinsichtlich des ersten Quotienten QOl über dem Grenzwert LIM liegt. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird dementsprechend die Oberfläche des Bauteils COM in zwei Gruppen unterteilt, einer Gruppe, für die der erste Quotient QOl über dem Grenzwert LIM liegt und eine Gruppe, für die der erste Quotient QOl unter dem Grenzwert LIM liegt. Ein vierter Schritt d. beschäftigt sich mit der Erzeugung des Bauteils COM aus einem Rohling und der Herstellung mindestens zweier verschiedener Rauheiten RZ für die Oberflächenbereiche SUA. Der Rohling GRN kann als rohes Werkstück zum Fräsen aus dem vollen, als Halbzeug, in Teilen oder auch in Form ei- nes Pulvers zum Sintern oder als sonstiger Rohstoff zur Erzeugung des Bauteils COM vorliegen. Entscheidend im Sinne der Erfindung ist, dass eine Oberflächenbeschaffenheit in einem Bearbeitungsschritt nach der Erfindung hergestellt wird.
Eine erste niedrigere Rauheit RZ wird in zumindest einigen Oberflächenbereichen SUA erzeugt, in denen die Überströmungsgeschwindigkeit VL über dem Grenzwert LIM liegt. Eine höhere Rauheit RZ wird erzeugt oder belassen in zumindest einigen Oberflächenbereichen SUA, in denen die Überströmungsgeschwindigkeit VL unter dem Grenzwert LIM liegt.
Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bau¬ teil COM einer Fluidenergiemaschine FEM.

Claims

Patentansprüche
1. Laufrad (IMP) einer Radialturbofluidenergiemaschi- ne (RTF) umfassend
- eine Radscheibe (SW) ,
- eine Deckscheibe (CW) ,
- Schaufeln (BL) ,
- eine Nabe (HB) ,
wobei die Nabe (HB) derart ausgebildet ist, auf einer sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Welle (SH) montiert zu werden,
wobei die Radscheibe (SW) sich von der Nabe (HB) ausgehend im Wesentlichen radial erstreckt,
wobei die Deckscheibe (CW) mittels der Schaufeln (BL) mit der Radscheibe (SW) verbunden ist, derart, dass zwischen der Radscheibe (SW) und der Deckscheibe (CW) durch die Schaufeln (BL) in Umfangsrichtung in mindestens einem Radialbereich des Laufrads (IMP) in Umfangsrichtung voneinander getrennte Strömungskanäle (FC) definiert sind,
wobei das Laufrad (IMP) einen ersten Strömungspfaddurch- tritt (Ol) in im Wesentlichen axialer Richtung in radialer Nähe zu der Nabe (HB) aufweist,
wobei das Laufrad (IMP) einen zweiten Strömungspfaddurch- tritt (02) in im Wesentlichen radialer Richtung radial weiter entfernt von der Nabe (HB) aufweist als der erste Strö¬ mungspfaddurchtritt (Ol),
dadurch gekennzeichnet, dass
die der Radscheibe (SW) zugewendete Oberfläche der Deck¬ scheibe (CW) zumindest bereichsweise eine geringere Rauheit aufweist als die der Deckscheibe (CW) zugewendete Oberflä¬ che der Radscheibe (SW) .
2. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1,
wobei die Schaufeln (BL) in einem näher und angrenzend der Deckscheibe (CW) liegenden ersten Schaufeloberflächenbe¬ reich (BLA1) eine geringere Rauheit aufweisen als ein zwei- ter, zu der Deckscheibe (CW) ferner liegender Schaufeloberflächenbereich (BLA2) der Schaufeln (BL) .
3. Laufrad nach Anspruch 2,
wobei der erste Schaufeloberflächenbereich (BLA1) mit zu- nehmender Ferne von der Nabe (HB) einen abnehmenden Anteil des Strömungskanals (FC) senkrecht zur Hauptströmungsrich¬ tung (MFD) aufweist.
4. Laufrad nach Anspruch 3,
wobei die Schaufel (BL) als dreidimensional verwundene
Schaufel (BL) ausgebildet ist,
wobei der erste Schaufeloberflächenbereich (BLA1) sich in dem Abschnitt, der der Nabe (HB) am nächsten ist, über mehr als 40% der Breite des Strömungskanals (FC) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (MFD) erstreckt und sich kontinuierlich verkleinert, bis zum der Nabe (HB) fernsten Abschnitt auf weniger als 35% der Breite des Strömungskanals (FC) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (MFD) . 5. Laufrad nach Anspruch 3,
wobei die Schaufel (BL) als im Wesentlichen zylindrische Schaufel (BL) ausgebildet ist,
wobei der erste Schaufeloberflächenbereich (BLA1) sich in dem Abschnitt, der der Nabe (HB) am nächsten ist, über mehr als 40% der Breite des Strömungskanals (FC) senkrecht zur
Hauptströmungsrichtung (MFD) erstreckt und sich kontinuierlich verkleinert, bis zum der Nabe (HB) fernsten Abschnitt auf mehr als 70% der Breite des Strömungskanals (FC) senk¬ recht zur Hauptströmungsrichtung (MFD) . Laufrad nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Deckscheibe (CW) auf der von den Schaufeln (BL) abgewendeten Oberfläche in einem dritten Oberflächenbereich (CWA3) eine geringere Rauheit aufweist, als in einem sons¬ tigen vierten Oberflächenbereich (CWA4),
wobei der dritte Oberflächenbereich (CWA3) sich radial über einen äußeren bis zu 50%igen Anteil der radialen Erstre- ckung der Deckscheibe (CW) erstreckt.
7. Laufrad nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Radscheibe (SW) auf der von den Schaufeln (BL) abgewendeten Oberfläche in einem fünften Oberflächenbereich (SWA5) eine geringere Rauheit aufweist, als in einem sonstigen sechsten Oberflächenbereich (SWA6) ,
wobei der fünfte Oberflächenbereich (SWA5) sich radial über einen äußeren 10%igen bis 50%igen Anteil der radialen Er- streckung der Radscheibe (SW) erstreckt.
8. Laufrad nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü¬ che,
wobei die Deckscheibe (CW) und/oder die Radscheibe (SW) je¬ weils eine radial äußere, sich in Umfangsrichtung erstre¬ ckende Kantenfläche (ES) aufweist, die eine geringere Rau¬ heit, als die sonstigen Bereiche, die keine geringere Rau¬ heit aufweisen.
Stufe (STA) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RTF) umfassend ein rotierendes Laufrad (IMP) nach mindestens ei¬ nem der Ansprüche 1 bis 6 und einen das Laufrad (IMP) umge¬ benden Stator (STO),
wobei der Stator (STO) einen sich an den zweiten Strömungspfad durchtritt (02) anschließenden Ringraum (RC) aufweist, der sich im Wesentlichen radial und in Umfangsrichtung erstreckt,
wobei ein sich an den zweiten Strömungspfaddurchtritt (02) anschließender Abschnitt des Ringraums (RC) über mehr als 15% der Radialerstreckung des Ringraums (RC) eines siebten Oberflächenbereich (RCA7) eine reduzierte Rauheit gegenüber einem achten Oberflächenbereich (RCA8) der restlichen Radialerstreckung aufweist.
10. Verfahren zur Erzeugung eines von einer Strömung benetzten rotierenden Bauteils (COM) einer Fluidenergiemaschi- ne (FEM), insbesondere eines Laufrads (IMP) oder einer Stu¬ fe (STA) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
a. strömungstechnische Auslegung des Bauteils (COM), b. Festlegung mindestens eines Grenzwertes (LIM) für einen ersten Quotient (QOl) aus der Überströmungsgeschwindig¬ keit (VL) von Oberflächenbereichen (SUA) des Bauteils (COM) in einem Abstand (δ) geteilt durch eine Umfangsgeschwindig¬ keit (UV) jeweils bezogen auf einen Auslegungsbetriebs¬ punkt,
c. Bestimmung von Oberflächenbereichen (SUA) des Bauteils (COM), in denen der erste Quotient (QOl) über dem Grenzwert (LIM) liegt,
d. Erzeugung des Bauteils (COM) unter Erzeugung mindestens zweier verschiedener Rauheiten (RZ) für Oberflächenbereiche (SUA) , einer ersten niedrigeren Rauheit (RZ) in zumindest einigen Oberflächenbereichen (SUA) , in denen der erste Quotient (QOl) über dem Grenzwert (LIM) liegt und Erzeugung oder Belassen einer höheren Rauheit (RZ) in zumindest einigen Oberflächenbereichen (SUA) , in denen der erste Quotient (QOl) unter dem Grenzwert (LIM) liegt.
11. Bauteil (COM) erzeugt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 9.
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