EP3239533A1 - Axiale turbomaschine - Google Patents
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- EP3239533A1 EP3239533A1 EP16167671.3A EP16167671A EP3239533A1 EP 3239533 A1 EP3239533 A1 EP 3239533A1 EP 16167671 A EP16167671 A EP 16167671A EP 3239533 A1 EP3239533 A1 EP 3239533A1
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- European Patent Office
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- annular web
- housing
- radial grooves
- turbomachine according
- head gap
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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
- F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
- F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
- F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/526—Details of the casing section radially opposing blade tips
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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
- F04D29/08—Sealings
- F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
- F04D29/161—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/164—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps of an axial flow wheel
Definitions
- the invention relates to axial turbomachinery such as fans, pumps, compressors, air, steam and gas turbines.
- Such a turbomachine or turbomachine has a rotor which rotates about a fixed axis of rotation.
- the rotor includes a hub and a number of blades or rotor blades which project radially outwardly from the hub.
- the blades can but need not necessarily have a profiled cross section.
- the blades are also inclined so that they extend in the axial direction between a front edge and a trailing edge in the depth.
- the rotor with the blades is surrounded by a tubular housing.
- the tubular housing merges at its air inlet side into a funnel-shaped inlet nozzle of steadily widening radius.
- the head gap must not be made too small, but must not fall below a certain minimum, which is predetermined by construction and material.
- DE 4310104 A1 proposes to limit the noise emission of the turbomachine, a turbulence generator in the annular gap between the blade tips of the blades and the inner surface of the housing.
- This turbulence generator can be attached by a to the inner surface of the housing Sandpaper, a wire mesh or textile fabric or a roughening of the inner surface of the housing.
- EP 1 278 943 B and the associated WO 01/083950 describe a turbomachine with a sealing element between the rotor and the housing.
- the sealing member protrudes from the entire inner surface of the housing and into a gap extending between an outer surface of an annular tire and the inner surface of the housing to reduce swirls and minimize air leakage through the gap.
- the sealing element may be formed from fibers, bristles or threads.
- US Pat. No. 6,471,472 B1 or the parallel EP 1 081 388 B1 disclose a fan in which a blocking device in the form of a strip-shaped brush is provided between inlet side and pressure side.
- annular web and corresponding radial grooves Due to the inventive interaction of annular web and corresponding radial grooves which reduces the swirling secondary flow in the head gap or suppressed. This also reduces or prevents an interaction of the vortex-like secondary flow with other regions of the blade or neighboring blades and without the annular web of the invention and corresponding radial grooves, and ultimately the emission of flow-induced sound.
- the interaction of annular web and corresponding radial grooves leads to a better sealing effect between the pressure and suction side, without the minimum radial dimension of the head gap would have to be reduced.
- the head gap is folded only in its axial extent and thus somewhat extended, but with unchanged length of the housing and unchanged axial extension (depth) of the blades at the head end.
- the construction according to the invention has the great advantage that the radially encircling ring land can be produced in a very simple manner in terms of production and also that the introduction of the corresponding radial grooves into the blade heads does not require much effort. Another advantage is that even existing machines can be easily retrofitted. Ring web and radial grooves are not subject to greater wear than the machine itself, so that no disadvantages are to be feared in terms of stability.
- the head gap is defined in the region of the ring land by the contours of the ring land and the corresponding contours of the radial grooves on the blades.
- the minimum distance between housing and rotor is not required by the inventive displacement of the head gap in the region of the ring land inward, or at least not necessarily smaller than anyway necessary.
- the annular land projects at least a little way into the radial grooves. This creates a labyrinthine head gap with a particularly good sealing effect.
- the height of the annular web corresponds approximately to the depth of the corresponding radial grooves, and the distance between the annular web and the groove wall corresponds approximately to the dimension of the head gap outside the region of the annular web.
- the axial extent, ie the width of the annular web preferably has a dimension that is significantly smaller than the axial extension, that is to say the so-called depth of the blade at the head end.
- the optimal ratio between the width of the ring land and the depth of the blade is between 1: 5 and 1:10.
- the ring land may have rectangular, in particular square cross-section. Particularly preferred is a triangular cross section, in particular a cross section in the form of an approximately equilateral triangle, the tip of which points radially in the direction of the axis of rotation.
- the contour or cross-sectional shape of the radial grooves on the blades preferably follows the cross-sectional shape of the annular web, but also slightly different contours are conceivable. It is important, above all, that the annular web and radial grooves are precisely aligned in the axial direction.
- the annular land is advantageously integrally formed on the housing.
- a material for the housing in particular plastic or metal into consideration.
- a housing with an inventive annular web can be produced very easily, for example by injection molding.
- the ring land can of course be made separately and subsequently applied to the inner wall of the housing, for example by gluing.
- the ring land can also be prefabricated as an open ring, so that it can easily be subsequently inserted into the tubular housing.
- annular web could also be produced by a constriction or, in the case of a metal housing, by rolling. This results in rather round contours or cross-sectional shapes of annular web and corresponding radial grooves.
- annular web is preferably made of the same material as the rest of the housing, it may be advantageous in special cases when the Alternatively, ring bridge is made of a softer, easily removable material.
- the ring land can also be designed as a replaceable wearing part.
- an axial position of the annular land and the corresponding radial grooves not exactly in the middle of the axial extent or depth of the blade heads, but an asymmetrical position in the region of the rear blade edge. This has proven to be particularly acoustically particularly advantageous.
- FIG. 1a shows an axial turbomachine with a rotor 1, which rotates about a fixed axis of rotation 2.
- the rotor 1 comprises a hub 3 and radially outwardly projecting blades 4.
- a fixed, designed as a round tube housing 5 surrounds the rotor 1 coaxially.
- the rotor 1 is driven by a motor (not shown). Air or another gaseous fluid is sucked in on the inlet side (here on the left), compressed and blown out again on the outlet side (on the right).
- the head gap 6 represents a non-contact seal between the suction and pressure chamber of the machine.
- the smaller the dimension S of the head gap the greater the sealing effect and the higher the efficiency of the turbomachine.
- the head gap flow causes noise.
- FIG. 1b explains the principle of the invention.
- a radial annular web 7 is applied on the inner wall of the housing 5.
- the blades 4 have a radial groove 8, which corresponds to the annular web 7 in position and cross section. Without the radial groove 8, the applied annular web 7 would reduce the diameter of the housing 5 and reduce the head gap 6 to the dimension S '. However, such a small head gap would not be sufficient to reliably prevent the starting of the blades 4.
- the radial groove 8, in shape and dimensions corresponds to the contour of the annular web 7, ensures a sufficiently large head gap 6, approximately with the dimension S, over the entire axial length of the blade 4 and in particular in the region of the annular web. 7
- the turbomachine according to FIG. 2a has a rotor 10 which rotates about a rotation axis 20.
- the rotor 10 has a hub 30 which carries a number of radially outwardly projecting blades 40.
- a designed as a short round tube housing 50 surrounds the rotor 10 coaxially. To release the view of the blades 40 is in FIG. 2a the housing 50 drawn in a horizontal section through the axis of rotation 20.
- annular ridge 70 On the inner wall of the housing 50, a small annular ridge 70 is applied.
- the contour of the annular web 70 corresponds approximately to an equilateral triangle whose tip points radially inwards to the axis of rotation 20.
- radial grooves 80 are incorporated, which correspond to the annular ridge 70, that is, they also have triangular contour.
- the housing 50 widens in a funnel shape to a suction nozzle 51.
- the housing 50 is made of metal, but may as well be made of plastic.
- the annular ridge 70 is integrally formed.
- the rotor 10 is driven by a motor 90 via a shaft 100.
- FIG. 2b shows the non-contact engagement of the annular ridge 70 and the corresponding radial groove 80 on one of the blades 40.
- the two oblique edges of the annular ridge 70 are approximately parallel to the opposite walls of the radial groove 80.
- the tip of the annular ridge 70 and the triangle or V of the radial groove 80 aligned in the axial direction.
- the flanks of the annular web 70 and the walls of the radial groove 80 are at a distance from each other; In this area, the head gap 60 is thus defined by the contours of the annular web 70 and the corresponding radial groove 80.
- the blades 40 have a wing-like profiling.
- the blades 40 are at an oblique angle relative to the axis of rotation 20 (see. FIG. 2a ) and also show a twist.
- the blade heads 41 have a smaller width than the blade roots 42.
- the axial extent or depth between the leading edge 44 and the trailing edge 45 is smallest at the upper end of the blade heads 41.
- the blade heads 41 have end surfaces 43; these are cylindrically curved in the radial direction and extend coaxially to the inner wall of the housing 50.
- the axial position of the annular web 70 is located near the trailing edge 45 of the blade head 41.
- the end surfaces 43 are additionally contoured in the axial direction, the head gap narrows thereby constantly up to a minimum between Schaufelvorder- and trailing edge.
- wing-like profiled blades 40 as well as simple blades with a constant thickness, in particular pressed from a piece of sheet metal blades can be used.
Abstract
Eine axiale Turbomaschine umfasst einen Rotor (1) mit Nabe (3) und Schau-feln (4) sowie ein feststehendes rohrartiges Gehäuse (5). Auf der Innenwand des Gehäuses (5) ist ein radial umlaufender Ringsteg (7) aufgebracht. Die Schaufeln (4) haben an ihren Enden korrespondierende Radialnuten (8). Im Bereich des Ringstegs (7) wird der Kopfspalt (6) durch die Konturen des Ringstegs (7) und der korrespondierenden Radialnuten (8) definiert. Hierdurch ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad und ein leiseres Betriebsgeräusch.
Description
- Die Erfindung betrifft axiale Turbomaschinen wie zum Beispiel Ventilatoren, Pumpen, Kompressoren, Luft-, Dampf- und Gasturbinen.
- Eine solche Turbomaschine bzw. Strömungsmaschine hat einen Rotor, der um eine feste Drehachse umläuft. Der Rotor umfasst eine Nabe und eine Anzahl von Schaufeln oder Rotorblättern, welche von der Nabe radial nach außen abstehen. Die Schaufeln können, müssen aber nicht unbedingt einen profilierten Querschnitt haben. Die Schaufeln stehen zudem schräg, so dass sie sich in axialer Richtung zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante in die Tiefe erstrecken.
- Der Rotor mit den Schaufeln wird von einem rohrartigen Gehäuse umgeben. Bei bestimmten Turbomaschinen geht das rohrartige Gehäuse an seiner Lufteinlassseite in eine trichterförmige Einlassdüse mit stetig sich erweiterndem Radius über.
- Zwischen den radialen Enden der Schaufelköpfe und der Innenwandung des Gehäuses ergibt sich konstruktiv unvermeidbar ein radialer Kopfspalt, der als berührungslose Dichtung zwischen Saug- und Druckraum bzw. Ein- und Auslassseite der Maschine funktioniert. Die aufgrund des Druckunterschieds zwischen Vorder- und Rückseite des Rotors unvermeidliche Strömung über den Kopfspalt reduziert den Gesamtwirkungsgrad der Maschine und erhöht gleichzeitig die Emission strömungsinduzierten Schalls. Ursache hierfür sind wirbelartige sekundäre Strömungsphänomene im Bereich des Kopfspalts.
- Zur Reduzierung von Druckverlusten und zur Verringerung unerwünschter Schallabstrahlung ist man bestrebt, den radialen Kopfspalt so klein wie möglich zu halten. Dem sind allerdings konstruktive Grenzen gesetzt. Denn zum einen können Rotor und Gehäuse fertigungsbedingt leicht unrund sein. Ferner kann der Rotor aufgrund von Fertigungstoleranzen exzentrische oder Taumelbewegungen ausführen, so dass die Gefahr besteht, dass die Schaufelköpfe in Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses geraten. Aufgrund von Restunwuchten kann der Rotor auch in der Rotorebene schwingen.
- Berührungen zwischen den Schaufelenden und der Gehäuseinnenwand können insbesondere bei schnell rotierenden Schaufeln starke Geräusche, Funkenbildung oder sogar Abriss einer Schaufel mit Totalausfall der Maschine zur Folge haben. Deshalb darf der Kopfspalt nicht zu klein ausgeführt werden, sondern darf ein bestimmtes Mindestmaß, das durch Konstruktion und Material vorgegeben ist, nicht unterschreiten.
- Es wurden unterschiedliche konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Reduzierung des Kopfspaltgeräusches vorgeschlagen.
-
DE 4310104 A1 schlägt zur Begrenzung der Schallemission der Strömungsmaschine einen Turbulenzerzeuger im ringförmigen Spalt zwischen den Blattspitzen der Schaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses vor. Dieser Turbulenzerzeuger kann durch ein an der Innenoberfläche des Gehäuses befestigte Sandpapier, ein Drahtgewebe oder Textilgewebe oder eine Aufrauhung der Innenoberfläche des Gehäuses sein. -
EP 1 278 943 B und die zugehörigeWO 01/083950 -
US 6,471,472 B1 bzw. die paralleleEP 1 081 388 B1 offenbaren einen Lüfter, bei dem zwischen Einlassseite und Druckseite eine Sperreinrichtung in Form einer streifenförmigen Bürste vorgesehen ist. - Eine weitere bekannte Maßnahme, um sehr kleine Kopfspalte zuzulassen, liegt in der Auskleidung oder Beschichtung der Innenwand des Gehäuses mit einem leicht abtragbaren Material, wie zum Beispiel Schaumstoff oder porösem Kunststoff, so dass eine kurzzeitige Berührung der Schaufeln, so genanntes Anlaufen, ohne nennenswerte Schäden bleibt. Im laufenden Betrieb wird dieses zusätzliche weiche Material so abgetragen, dass sich von selbst ein ausreichender Kopfspalt einstellt. Nachteile sind die deutlich erhöhten Fertigungskosten und die geringe Standfestigkeit des Materials, zudem Probleme in der Einlaufphase.
- Zur Reduktion des Geräuschs durch die Sekundärströmung am Kopfspalt zwischen Laufschaufel und Gehäuse wurde auch schon versucht, diese Sekundärströmung an den Schaufelspitzen durch ein mitrotierendes Band zu mindern und gleichzeitig die unvermeidbare Rezirkulationsströmung im Bereich des Spalts dem Rotor wieder geordnet zuzuführen.
-
DE 20 2004 005 548 U schlägt vor, mitrotierende plattenförmige Elemente, so genannte Winglets, am Kopf der Schaufel vorzusehen. - Alle diese beschriebenen Maßnahmen sind konstruktiv aufwendig, haben mäßige Wirkung und/oder reduzieren die Standzeiten der Maschine.
- Das zu lösende technische Problem besteht somit in der konstruktiven Gestaltung einer axialen Turbomaschine der eingangs beschriebenen Art so, dass ohne wesentliche Reduzierung des Kopfspalts eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades und ein leiserer Lauf erzielt wird.
- Bei der Lösung dieser Aufgabe wird ausgegangen von einer axialen Turbomaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Gelöst wird das Problem gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs dadurch, dass auf der Innenwand des Gehäuses ein radial umlaufender Ringsteg aufgebracht ist, und dass die Schaufelköpfe korrespondierende Radialnuten aufweisen.
- Durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken von Ringsteg und korrespondierenden Radialnuten wird die die wirbelartige sekundäre Strömung im Kopfspalt reduziert oder unterdrückt. Dadurch wird auch eine Interaktion der - ohne den erfindungsgemäßen Ringsteg und korrespondierende Radialnuten entstehenden - wirbelartigen Sekundärströmung mit anderen Bereichen der Schaufel oder Nachbarschaufeln und letztlich die Emission strömungsinduzierten Schalls reduziert oder verhindert. Darüber hinaus führt das Zusammenwirken von Ringsteg und korrespondierenden Radialnuten zu einer besseren Dichtwirkung zwischen Druck- und Saugseite, ohne dass das minimale radiale Maß des Kopfspalts verringert werden müsste. Der Kopfspalt wird lediglich in seiner axialen Erstreckung gefaltet und damit etwas verlängert, allerdings bei unveränderter Baulänge des Gehäuses und unveränderter axialer Erstreckung (Tiefe) der Schaufeln am Kopfende.
- Messungen ergaben eine Erhöhung des Wirkungsgrads von bis zu 10 Prozent im Vergleich zu einer baugleichen Turbomaschine ohne Ringsteg und korrespondierende Radialnuten.
- Akustische Messungen ergaben eine überraschend große Absenkung des Schalldrucks von mehr als 5 dB im hörbaren Frequenzbereich und in bestimmten Frequenzbereichen sogar eine Schalldruckminderung um mehr als 10 dB.
- Die erfindungsgemäße Konstruktion hat den großen Vorteil, dass der radial umlaufende Ringsteg fertigungstechnisch sehr einfach realisierbar ist und auch die Einbringung der korrespondierenden Radialnuten in die Schaufelköpfe keinen großen Aufwand erfordert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch vorhandene Maschinen problemlos nachgerüstet werden können. Ringsteg und Radialnuten unterliegen auch keinem größeren Verschleiß als die Maschine selbst, so dass auch hinsichtlich der Standfestigkeit keine Nachteile zu befürchten sind.
- Der Kopfspalt wird im Bereich des Ringstegs durch die Konturen des Ringstegs und die korrespondierenden Konturen der Radialnuten an den Schaufeln definiert. Der minimale Abstand zwischen Gehäuse und Rotor wird durch die erfindungsgemäße Verlagerung des Kopfspalts im Bereich des Ringstegs nach innen nicht oder jedenfalls nicht notwendigerweise kleiner als ohnehin notwendig. Allerdings ist es möglich, den minimalen Abstand zwischen den Wandungen des Ringstegs und des der Radialnuten gegebenenfalls auch größer zu wählen als das Maß des Kopfspalts außerhalb des Bereichs des Ringstegs, beispielsweise, um die Gefahr des Anlaufens speziell im Bereich des Ringstegs weiter herabzusetzen.
- Vorteilhaft ragt der Ringsteg zumindest ein Stück weit in die Radialnuten hinein. Dadurch entsteht ein labyrinthartiger Kopfspalt mit besonders guter Dichtwirkung. Bevorzugt entspricht die Höhe des Ringstegs in etwa der Tiefe der korrespondierenden Radialnuten, und entspricht der Abstand zwischen Ringsteg und Nutenwandung ungefähr dem Maß des Kopfspalts außerhalb des Bereichs des Ringstegs.
- Die axiale Erstreckung, also die Breite des Ringstegs, hat bevorzugt ein Maß, das deutlich kleiner ist als die axiale Erstreckung, also die so genannte Tiefe der Schaufel am Kopfende. Als optimal hat sich ein Verhältnis zwischen Breite des Ringstegs und Tiefe der Schaufel zwischen 1:5 und 1:10 herausgestellt.
- Der Ringsteg kann rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt haben. Besonders bevorzugt wird ein dreieckiger Querschnitt, insbesondere ein Querschnitt in Form eines etwa gleichseitigen Dreiecks, dessen Spitze radial in Richtung der Drehachse weist. Die Kontur bzw. Querschnittsform der Radialnuten an den Schaufeln folgt vorzugsweise der Querschnittsform des Ringstegs, wobei aber auch leicht unterschiedliche Konturen denkbar sind. Wichtig ist vor allem, dass Ringsteg und Radialnuten in axialer Richtung genau fluchten.
- Der Ringsteg ist vorteilhaft einstückig an das Gehäuse angeformt. Als Material für das Gehäuse kommen insbesondere Kunststoff oder Metall in Betracht. Insbesondere in Kunststoff lässt sich ein Gehäuse mit erfindungsgemäßem Ringsteg sehr leicht herstellen, zum Beispiel im Spritzgussverfahren.
- Alternativ kann der Ringsteg natürlich auch separat hergestellt und nachträglich auf die Innenwand des Gehäuses aufgebracht werden, zum Beispiel durch Aufkleben. Gegebenenfalls kann der Ringsteg auch als offener Ring vorgefertigt werden, so dass er leicht nachträglich in das rohrartige Gehäuse eingesetzt werden kann.
- Da die Außenform des Gehäuses keinen Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften der Maschine hat, könnte der Ringsteg auch durch eine Einschnürung oder, im Falle eines Metallgehäuses, durch Rollierung hergestellt werden. Dabei ergeben sich eher runde Konturen bzw. Querschnittsformen von Ringsteg und korrespondierenden Radialnuten.
- Auch wenn der Ringsteg bevorzugt aus demselben Material besteht wie das übrige Gehäuse, kann es in speziellen Fällen vorteilhaft sein, wenn der Ringsteg alternativ aus einem weicheren, leicht abtragbaren Material besteht. Der Ringsteg kann auch als auswechselbares Verschleißteil ausgebildet sein.
- Besonders bevorzugt wird eine axiale Position des Ringstegs und der korrespondierenden Radialnuten nicht genau in der Mitte der axialen Erstreckung bzw. Tiefe der Schaufelköpfe, sondern eine asymmetrische Position im Bereich der hinteren Schaufelkante. Dies hat sich insbesondere akustisch als besonders vorteilhaft erwiesen.
- Das erfindungsgemäße Vorsehen eines Ringstegs an der Gehäuseinnenwandung und von korrespondierenden Radialnuten an den Schaufelenden hat sich insbesondere bei solchen Turbomaschinen als sehr vorteilhaft und wirksam erwiesen, bei denen die Schaufelköpfe an ihren radial äußeren Enden zylindrische Endflächen aufweisen, welche koaxial zur Innenwandung des Gehäuses verlaufen und damit den Kopfspalt definieren. Die Radialnuten liegen dann in diesen zylindrischen Endflächen, zwischen Vorderkante und Hinterkante der Schaufelköpfe. Aufgrund der Schrägstellung der Schaufel verläuft die Radialnut dabei nicht parallel zur Hauptachse des Schaufelprofils, sondern notwendigerweise exakt in Umfangsrichtung, dass heißt, die Mittelachse der Radialnut verläuft schräg gegenüber der Profil-Hauptachse.
- Anstelle von Schaufeln mit tragflächenartiger Profilierung können ebensogut auch einfache, aus Blech gepresste Schaufeln mit konstanter Dicke eingesetzt werden. Auch mit solchen Schaufeln funktioniert die Erfindung ganz hervorragend.
- Das Prinzip der Erfindung sowie ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Turbomaschine werden nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen weiter erläutert. Es zeigen:
- Figur 1a
- eine axiale Turbomaschine nach dem Stand der Technik, in einem stark vereinfachten Prinzipbild;
- Figur 1b
- eine erfindungsgemäße Turbomaschine im Prinzip;
- Figur 2a
- eine erfindungsgemäße Turbomaschine in einer Ansicht von der Seite, teilweise geschnitten;
- Figur 2b
- eine Ausschnittsvergrößerung des Bereichs A von
Figur 2a - Figur 2c
- eine vergrößerte Draufsicht auf das Kopfende der Schaufel im Bereich B von
Figur 2a ; - Figur 3
- Gehäuse und Rotor der Turbomaschine gemäß
Figur 2a , perspektivisch. - Das Prinzipbild von
Figur 1a zeigt eine axiale Turbomaschine mit einem Rotor 1, der um eine feste Drehachse 2 umläuft. Der Rotor 1 umfasst eine Nabe 3 und radial nach außen abstehende Schaufeln 4. Ein feststehendes, als rundes Rohr ausgebildetes Gehäuse 5 umgibt den Rotor 1 koaxial. Der Rotor 1 wird von einem (nicht dargestellten) Motor angetrieben. Luft oder ein anderes gasförmiges Fluid wird an der Einlassseite (hier links) angesaugt, verdichtet und an der Auslassseite (rechts) wieder ausgeblasen. - Zwischen dem axial äußeren Ende der Schaufeln 4 und der Innenwand des Gehäuses 5 verbleibt ein radialer Kopfspalt 6, dessen Maß S nicht unterschritten werden darf, wenn ein Kontakt zwischen Schaufeln 4 und Gehäuse 5 im Betrieb zuverlässig vermieden werden soll. Der Kopfspalt 6 stellt eine berührungslose Dichtung zwischen Saug- und Druckraum der Maschine dar. Je kleiner das Maß S des Kopfspalts, desto größer ist die Dichtwirkung und desto höher ist der Wirkungsgrad der Turbomaschine. Die Kopfspaltströmung verursacht Geräusche.
-
Figur 1b erläutert das Prinzip der Erfindung. Auf der Innenwand des Gehäuses 5 ist ein radialer Ringsteg 7 aufgebracht. Die Schaufeln 4 haben eine Radialnut 8, die mit dem Ringsteg 7 in Lage und Querschnitt korrespondiert. Ohne die Radialnut 8 würde der aufgebrachte Ringsteg 7 den Durchmesser des Gehäuses 5 verringern und den Kopfspalt 6 auf das Maß S' reduzieren. Ein derart kleiner Kopfspalt würde aber nicht ausreichen, um das Anlaufen der Schaufeln 4 zuverlässig zu verhindern. Die Radialnut 8, die in Form und Abmessungen mit der Kontur des Ringstegs 7 korrespondiert, gewährleistet einen ausreichend großen Kopfspalt 6, ungefähr mit dem Maß S, über die gesamte axiale Länge der Schaufel 4 und insbesondere auch im Bereich des Ringstegs 7. - Die Turbomaschine gemäß
Figur 2a hat einen Rotor 10, der um eine Drehachse 20 rotiert. Der Rotor 10 hat eine Nabe 30, die eine Anzahl von radial nach außen abstehenden Schaufeln 40 trägt. Ein als kurzes rundes Rohr ausgebildetes Gehäuse 50 umgibt den Rotor 10 koaxial. Um den Blick auf die Schaufeln 40 freizugeben, ist inFigur 2a das Gehäuse 50 in einem Horizontalschnitt durch die Drehachse 20 gezeichnet. - Auf der Innenwand des Gehäuses 50 ist ein kleiner Ringsteg 70 aufgebracht. Die Kontur des Ringstegs 70 entspricht ungefähr einem gleichseitigen Dreieck, dessen Spitze radial nach innen zur Drehachse 20 weist. An den Enden der Schaufeln 40 sind Radialnuten 80 eingearbeitet, welche mit dem Ringsteg 70 korrespondieren, dass heißt, sie haben gleichfalls dreieckige Kontur.
- Zur Saugseite hin erweitert sich das Gehäuse 50 trichterförmig zu einer Ansaugdüse 51. Das Gehäuse 50 besteht aus Metall, kann aber ebenso gut auch aus Kunststoff gefertigt sein. Der Ringsteg 70 ist einstückig angeformt.
- Der Rotor 10 wird durch einen Motor 90 über eine Welle 100 angetrieben.
- Insbesondere
Figur 2b zeigt das berührungslose Ineinandergreifen des Ringstegs 70 und der korrespondierenden Radialnut 80 an einer der Schaufeln 40. Die beiden schrägen Flanken des Ringstegs 70 verlaufen näherungsweise parallel zu den gegenüberliegenden Wänden der Radialnut 80. Die Spitze des Ringstegs 70 und das Dreieck bzw. V der Radialnut 80 fluchten in axialer Richtung. Die Flanken des Ringstegs 70 und die Wände der Radialnut 80 stehen mit Abstand einander gegenüber; in diesem Bereich wird der Kopfspalt 60 also durch die Konturen des Ringstegs 70 und der korrespondierenden Radialnut 80 definiert. Die schädliche Wirbelstruktur der Strömung im Bereich des Kopfspalts wird dadurch aufgelöst, teilweise wird die Strömung über den Kopfspalt von der Druck- auf die Saugseite auch blockiert. Dadurch läuft die Maschine wesentlich leiser und es ergibt sich eine erhöhte Dichtwirkung im Vergleich zu einem geraden Kopfspalt (vgl.Figur 1a ). - Wie insbesondere aus
Figur 2c ersichtlich, haben die Schaufeln 40 eine tragflügelartige Profilierung. Zudem stehen die Schaufeln 40 unter einem schrägen Winkel gegenüber der Drehachse 20 (vgl.Figur 2a ) und zeigen überdies auch noch eine Verwindung. Die Schaufelköpfe 41 haben eine geringere Breite als die Schaufelwurzeln 42. Die axiale Erstreckung bzw. Tiefe zwischen Vorderkante 44 und Hinterkante 45 ist am oberen Ende der Schaufelköpfe 41 am kleinsten. - Aus
Figur 2b und Figur 2c wird ferner ersichtlich, dass die Schaufelköpfe 41 Endflächen 43 haben; diese sind in radialer Richtung zylindrisch gekrümmt und verlaufen koaxial zur Innenwand des Gehäuses 50. Die axiale Position des Ringstegs 70 liegt in der Nähe der Hinterkante 45 des Schaufelkopfs 41. In anderen Ausführungsbeispielen sind die Endflächen 43 zusätzlich auch in axialer Richtung konturiert, der Kopfspalt verengt sich dabei stetig bis zu einem Minimum zwischen Schaufelvorder- und hinterkante. - Insbesondere aus
Figur 2c wird auch deutlich, dass die Radialnuten 80 unter einem spitzen Winkel schräg gegenüber der Hauptachse des tragflächenartigen Profils des Schaufelkopfs 41 verlaufen. - Anstelle der tragflügelartig profilierten Schaufeln 40 können ebenso gut auch einfache Schaufeln mit konstanter Dicke, insbesondere aus einem Blechstück gepresste Schaufeln eingesetzt werden.
-
- 1
- Rotor
- 2
- Drehachse
- 3
- Nabe
- 4
- Schaufel
- 5
- Gehäuse
- 6
- Kopfspalt
- 7
- Ringsteg
- 8
- Radialnut
- 10
- Rotor
- 20
- Drehachse
- 30
- Nabe
- 40
- Schaufel
- 41
- Schaufelkopf
- 42
- Schaufelwurzel
- 43
- Endfläche
- 44
- Vorderkante
- 45
- Hinterkante
- 50
- Gehäuse
- 51
- Einlaufdüse
- 60
- Kopfspalt
- 70
- Ringsteg
- 80
- Radialnut
- 90
- Motor
- 100
- Welle
Claims (10)
- Axiale Turbomaschine, umfassend
wenigstens einen, um eine feste Drehachse (2, 20) umlaufenden Rotor (1, 10) mit einer Nabe (3, 30) und radial nach außen abstehenden Schaufeln (4, 40)
ein feststehendes rohrartiges Gehäuse (5, 50), das den Rotor (1, 10) koaxial derart umgibt, dass zwischen den Schaufelköpfen (41) und der Innenwand des Gehäuses (5, 50) ein radialer Kopfspalt (6, 60) verbleibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Innenwand des Gehäuses (5, 50) ein radial umlaufender Ringsteg (7, 70) aufgebracht ist,
die Schaufelköpfe (41) korrespondierende Radialnuten (8, 80) aufweisen, so dass der Kopfspalt (6, 60) im Bereich des Ringstegs (7, 70) durch die Konturen des Ringstegs (7, 70) und der korrespondierenden Radialnut (8, 80) definiert wird. - Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringsteg (7, 70) in radialer Richtung ein Stück weit in die Radialnuten (8, 80) hineinragt.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Ringstegs (7, 70) und die Tiefe der korrespondierenden Radialnuten (8, 80) ungefähr dem Maß des Kopfspalts (6, 60) außerhalb des Bereichs des Ringstegs (7, 70) entspricht.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringsteg (7, 70) und die Radialnuten (8, 80) einen Querschnitt in Form eines Dreiecks haben, wobei die Spitze des Dreiecks radial zur Drehachse (2, 20) weisen.
- Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringsteg (7, 70) und die Radialnuten (8, 80) rechteckigen Querschnitt, insbesondere ungefähr quadratischen Querschnitt haben.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringsteg (7, 70) einstückig an das Gehäuse (5, 50) angeformt ist.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringsteg (7, 70) aus einem leicht abtragbaren Material besteht.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelköpfe (41) an ihren radial äußeren Enden zylindrische Endflächen (43) haben, welche koaxial zur Innenwand des Gehäuses (50) verlaufen, und die Radialnuten (80) in diesen Endflächen (43) verlaufen.
- Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialnuten (80) zwischen Vorderkante (44) und Hinterkante (45) der Schaufelköpfe (41) angeordnet sind.
- Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialnuten (80) in der Nähe der zur Druckseite weisenden Hinterkante (45) angeordnet sind.
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EP16167671.3A EP3239533A1 (de) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Axiale turbomaschine |
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- 2016-04-29 EP EP16167671.3A patent/EP3239533A1/de not_active Withdrawn
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