EP3377773A1 - Laufrad für einen zentrifugalturboverdichter - Google Patents

Laufrad für einen zentrifugalturboverdichter

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EP3377773A1
EP3377773A1 EP17700651.7A EP17700651A EP3377773A1 EP 3377773 A1 EP3377773 A1 EP 3377773A1 EP 17700651 A EP17700651 A EP 17700651A EP 3377773 A1 EP3377773 A1 EP 3377773A1
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EP
European Patent Office
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track
blade
impeller
imp
bll
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EP17700651.7A
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EP3377773B1 (de
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Christian Woiczinski
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Publication of EP3377773B1 publication Critical patent/EP3377773B1/de
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    • 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
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    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
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    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • F05D2250/713—Shape curved inflexed

Definitions

  • the invention relates to an impeller of a turbo compressor, for rotation about an axis, comprising an inlet cross section for the substantially axial inflow of a product zessfluids in the impeller, comprising a discharge cross ⁇ section for substantially radial outlet of the process fluids from the
  • An impeller comprising a wheel disc, which defines a hub-side Umlenkkontur of the axial flow direction in the radial flow direction, comprising mounted on the wheel blades, at least over a portion of the flow path of the process fluid through the impeller flow channels from an inlet edge to an exit edge
  • ⁇ defined circumferential direction, each blade at a proximal to the wheel extension end edge defines a direction in the flow direction linear In ⁇ nenspur, such that on both sides of the inner track orthogonal equal distances to a Schaufeloberfl surface on a pressure side or a suction side of the blade, wherein the blade at
  • This turbo compressor type is also referred to as a centrifugal compressor, because the conveyed process fluid is accelerated radially outward in the impeller as a result of centrifugal forces.
  • mechanical energy is added to the gas or the process fluid for the purpose of compaction by means of a rotating blading of the impeller.
  • the aspirated process fluid is delayed within the flow channels of the impeller formed between the individual blades relative to the movement of the impeller and thus compressed according to the physical laws of the flow mechanism to a higher pressure level. Since that is
  • the fluid is further retarded after it has flowed out of the impeller in the radial direction in a subsequent diffuser and additionally compacted in accordance with the laws of Bernoulli in this way.
  • a blade is geometrically initially designed to be larger than it is normally used, this 3-dimensional figure extending beyond the boundaries of the leading edge, trailing edge, wheel disc and cover disk consisting of a pressure side and a suction side is referred to as a definition surface
  • this definition surface of the blade is used, which by means of the angular distribution at the Wheel disc and the cover plate and the Schaufeldickenvertei ⁇ ment is described. Within certain limits, partial surfaces are extracted from this definition surface, depending on the wheel disc and cover disc geometry, and used in an individual impeller design.
  • Geometrical data such as axial, radial, tangential or circumferential direction always refer to a rotational axis of the impeller, unless the reference is otherwise stated.
  • the invention has set itself the task of developing an impeller for a turbocompressor such that the efficiency over conventional wheels for the same purpose is improved.
  • Blade lengths allow for the inclusion of positions of the inner track and the outer track with respect to the respective relative distances or proximity to the leading edge and trailing edge.
  • the invention provides an advantageous geometry of wheels both for so-called closed Laufrä ⁇ der (wheels with a cover plate) and for so-called ⁇ fene wheels, which have no cover plate.
  • the before ⁇ ferred embodiment of the invention are impellers with a Cover disc, which defines the flow channels adjacent to the extension end edges ⁇ of the blades and is attached to the blades in the region of the extension end edges of the blades.
  • the linear inner track extends along an extension end edge of the blades which is distal from the wheel disc, between the entry edge and the exit edge.
  • the open flow channels of the open impeller border on a stator contour, sealing the openings distal to the wheel disc, so that the fluidic boundary conditions are similar for purposes of the invention.
  • the geometry according to the invention is particularly advantageous if the course of the meridional angle is monotonically decreasing between 10% and 90% of the relative blade length of the outer track.
  • the findings of the invention indicate that the efficiency of the impeller can be increased if, in contrast to the inner track, the outer track no local
  • An advantageous development of the invention provides that in the range between 10% and 90% of the relative blade lengths, the maximum difference between the inner track and the outer track for a specific position along the relative blade lengths of the meridional angle between 10 ° and 25 °.
  • the meridional angle distribution on the inner track and the outer track differ significantly.
  • the maximum difference does not mean the highest possible difference, but the highest actually occurring difference.
  • the invention thus provides in this vorteilhaf ⁇ th development that an actual maximum difference occurs, which is between 10 ° and 25 ° between the inner track.
  • Another advantageous development of the invention provides that the trailing edge of the blades is not inclined with respect to a meridional plane. Accordingly, it is proposed that the trailing edge of the blade include an angle with a meridional plane between 0 ° to 5 °.
  • the blade inlet edge forms an angle between 35 ° to 45 °, preferably 41 ° with a radial plane.
  • the entry ⁇ edge of the blade is thus something to ⁇ back offset from the inflow into the impeller.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that in the range between 10% to 90% of the relative
  • Blade length of the course of the meridional angle of the inner track has a turning point between 40% to 80% of the relative blade ⁇ length.
  • the geometry recognized as advantageous in this manner contributes to a further improvement in the efficiency of the fluid mechanics on the blade of the impeller according to the invention.
  • the profile of a blade thickness distribution of the inner track in the direction of flow should preferably be monotonically increasing.
  • the blade ⁇ thickness distribution can be selected to be constant on the outer track substantially.
  • the meridional angle of the outer track changes in the definition range between -20% (still outside the actual bucket) to + 20% by less than 5%.
  • the curvature of the outer track is nearly constant in this area.
  • the meridional angle can preferably be maximized at the blade inlet 3.
  • the range of the largest change in outside track angle is between -20% and + 20%.
  • the angle change is reversed downstream or to ⁇ taken back. In this way load from the deck ⁇ disc-flow is taken out, thereby avoiding the further course burbling.
  • a preferred maximum angular difference between inner and outer track of 10 ° -25 ° in the range of a meridional extent of 15% to 45% is present, preferably between 25% - 35%.
  • Figure 2 is a meridional section along the axis of rotation by a schematic representation of an impeller according to the section II-II in Figure 1, Figure 3 in synoptic playback a
  • Figure 4 shows a blade thickness distribution along the relative
  • Figure 5 is a detail of an entry edge as
  • FIG. 1 shows an axial plan view of an impeller according to the invention ⁇ SLI IMP comprising a cover disc COV, blades B, and a wheel disc HW.
  • ⁇ SLI IMP comprising a cover disc COV, blades B, and a wheel disc HW.
  • the axis of rotation X is indicated, around which the impeller rotates in operation along a direction of rotation ROT.
  • a meridional section II-II along a meridional plane MPL which is reproduced in FIG. 2, is indicated in a radial direction.
  • the individual blades B each have a pressure side PRS and a suction side SCS.
  • axial plan view of the viewer the leading edge LE of the blade B.
  • each vane B has a line-like inner track IT extending in the direction of flow at an extension end edge IE which is proximal to the wheel disc HW such that orthogonal distances to a vane surface on the pressure side PRS or the suction side SCS of the vane B are present on both sides of the inner track.
  • Each show ⁇ fel B has to in the flow direction extending li ⁇ nienhafte outer track on a distal to the wheel disc HW of extension end edge of OE, such that both sides of the outer ⁇ track orthogonally the same distance to the blade surface on the pressure side PRS and to the suction side SCS available.
  • Blades may also be defined such that these tracks are respectively the set of centers of circles inscribed in the blade profiles .
  • FIG. 3 shows in each case, as a function of the relative blade length BLL in the upper diagram region, the course of the meridional angle for the inner track IT and the outer track OT and in the lower diagram range the derivative of the
  • Meridional angle ⁇ ⁇ according to the relative blade length BL for the inner track IT and the outer track OT.
  • the blade leading edge LE here forms an angle LEA of 41 ° with a radial plane RP.
  • the leading edge of the blade B is accordingly somewhat Jenkinsver ⁇ sets.
  • FIG. 4 shows the blade thickness distribution as a course over the relative blade length BLL for the inner track IT and the outer track OT.
  • Exemplary Fi gur shows 5 details on such feathering at a leading edge of a wheel disc or cover disc in a specific ⁇ matic memoristangential bain from a radial point of view.
  • the example shown there is dimensioned in such a way:
  • SDS bucket thickness cover disk
  • SRS Vane thickness wheel disc HW
  • V Volume flow in cubic meters per second
  • Impeller IMP provides according to Figure 3, that between about 10% to 60% of the relative blade length BLL a local
  • Extremum LEX of the meridional angle MA of the inner track IT is present.
  • this local extremum LEX is between 25% to 45% of the relative blade length BLL.
  • First diagram in Figure 3, shown - - especially before ⁇ Trains t is the course of the Meridionalwinkels MA for the outer track OT Zvi ⁇ rule 10% to 90% of relative blade length monotonically fal ⁇ lend.
  • Meridional angle MA which increases to a maximum difference DLTM along the relative blade length, which is actually present maximum difference, between 10 ° and 25 °.
  • this maximum Diffe ⁇ rence DLTM occurs in the range between 15% to 45% of the relative
  • the indoor track IT and the outside lane OT have in the area of the trailing edge TE - on the moving ⁇ chen Meridionalwinkel MA - ie at 100% of relative blade length BLL. It follows that the average extent of the trailing edge TE of the blade B ei ⁇ NEN angle with a meridional MPL from about 0 ° turn includes or is parallel to the meridional plane MPL. Be ⁇ vorzugt this angular deviation should be the
  • Meridionalebene MPL the trailing edge TE be less than 5 °.
  • Another particularly preferred and disclosed in the embodiment of the invention shown embodiment provides that in the range between 40% to 80% of the relative blade length BLL the course of the meridional angle MA of the inner ⁇ track IT has a turning point TP.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (IMP) eines Turboverdichters (TCO), zur Rotation um eine Achse (X), umfassend einen Eintrittsquerschnitt (IN) zur im wesentlichen axialen Einströmung eines Prozessfluids (PF) in das Laufrad (IMP), umfassend einen Austrittsquerschnitt (EX) zum im wesentlichen radialen Austritt des Prozessfluids (PF) aus dem Laufrad (IMP), umfassend eine Radscheibe (HW), die eine nabenseitige Umlenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert, umfassend an der Radscheibe (HW) angebrachte Schaufeln (B), die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Prozessfluids (PF) durch das Laufrad (IMP) Strömungskanäle (FC) definieren, wobei jede Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) proximalen Erstreckungsendkante (IE) eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur (IT) definiert, wobei jede Schaufel (B) eine linienhafte Außenspur definiert, wobei eine relative Schaufellänge (BLL) für jede Position auf einer Spur (T), die eine Innenspur (IT) oder Außenspur (OT) ist, jeweils definiert sind als Anteil der stromabwärts dieser Position befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur (T), nämlich Innenspur (IT) oder Außenspur (OT), wobei ein Meridionalwinkel (MA) für jede Position einer Spur (T) definiert ist als der stromaufwärts eingeschlossene Winkel zwischen einer Meridionalebene (MPL) durch diese Position und einer Tangente an der Spur (T). Damit die Strömung mit verbessertem Wirkungsgrad weitestgehend ablösungsfrei das Laufrad passiert, wird vorgeschlagen, dass ein lokales Extremum des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) vorliegt.

Description

Beschreibung
LAUFRAD FÜR EINEN ZENTRIFUGALTURBOVERDICHTER Die Erfindung betrifft ein Laufrad eines Turboverdichters, zur Rotation um eine Achse, umfassend einen Eintrittsquerschnitt zur im wesentlichen axialen Einströmung eines Pro- zessfluids in das Laufrad, umfassend einen Austrittsquer¬ schnitt zum im wesentlichen radialen Austritt des Prozess- fluids aus dem Laufrad, umfassend eine Radscheibe, die eine nabenseitige Umlenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert, umfassend an der Radscheibe angebrachte Schaufeln, die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Prozessfluids durch das Laufrad Strömungskanäle von einer Eintrittskante bis zu einer Aus¬ trittskante in Umfangsrichtung definieren, wobei jede Schaufel an einer zur Radscheibe proximalen Erstreckungsendkante eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte In¬ nenspur definiert, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf einer Druckseite bzw. einer Saugseite der Schaufel vorliegen, wobei die Schaufel an einer zur Radscheibe distalen Erstre¬ ckungsendkante eine sich in Strömungsrichtung erstreckende linienhafte Außenspur definiert, derart, dass beidseitig der Außenspur orthogonal gleiche Abstände zu der Schaufeloberflä¬ che auf der Druckseite und zu der Saugseite der Schaufel vor¬ liegen, wobei eine relative Schaufellänge für jede Position auf einer Spur, die eine Innenspur oder Außenspur ist, jeweils definiert sind als Anteil der stromabwärts dieser Posi- tion befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur, nämlich Innenspur oder Außenspur, wobei ein Meridionalwinkel für jede Position einer Spur defi¬ niert ist als der stromaufwärts eingeschlossene Winkel zwi¬ schen einer Meridionalebene durch diese Position und einer Tangente an der Spur.
Gattungsgemäße Turboverdichter sind bereits aus der
DE 10 2013 207 220 B3 bekannt. Dieser Turboverdichtertyp wird auch als Zentrifugalverdichter bezeichnet, weil das beförderte Prozessfluid in Folge von Fliehkräften nach radial außen in dem Laufrad beschleunigt wird. Grundsätzlich wird dem Gas bzw. dem Prozessfluid zum Zwecke der Verdichtung mittels ei- ner rotierenden Beschaufelung des Laufrades mechanische Energie zugefügt. Das angesaugte Prozessfluid wird innerhalb der zwischen den einzelnen Schaufeln ausgebildeten Strömungskanäle des Laufrades relativ zur Bewegung des Laufrades verzögert und somit gemäß den physikalischen Gesetzen der Strömungsme- chanik auf ein höheres Druckniveau verdichtet. Da sich das
Laufrad mit einer hohen Drehzahl bewegt, wird das Fluid nach Abströmung aus dem Laufrad in radialer Richtung in einem anschließenden Diffusor weiter verzögert und gemäß der Gesetze von Bernoulli auf diese Weise zusätzlich verdichtet.
In derartigen Fluidenergiemaschinen treten stets unvermeidbare strömungsmechanische Verluste auf. Die Verringerung dieser Verluste ist ein Optimierungsproblem, in dessen Bearbeitung darauf geachtet wird, dass insbesondere keine Ablösungen der Strömung von der Schaufel bzw. sonstiger Laufradoberflächen auftreten. Das Ergebnis dieser Optimierungsaufgabe wird in der Regel bzgl. der Schaufel in einer sogenannten Winkelverteilung und Dickenverteilung über die Lauflänge der Schaufel an Rad- und Deckscheibe beschrieben. Diese zweidimensionalen Profile an der Rad- und Deckscheibe werden geometrisch ver¬ bunden, beispielweise mittels Geraden, die auch als „Regelge¬ raden" bezeichnet werden. Die im Ergebnis erhaltene dreidi¬ mensionale Figur kann im Flankenfräsverfahren hergestellt werden. Um zu vermeiden, dass ein derartiger Entwurfsaufwand für jede nur geringfügig andere Verdichtungsaufgabe vollstän¬ dig abgearbeitet werden muss, wird eine derartige Schaufel geometrisch zunächst größer entworfen, als diese in der Regel eingesetzt wird. Diese, über die Grenzen von Eintrittskante, Austrittskante, Radscheibe und Deckscheibe hinausgehende 3- dimensionale Figur bestehend aus einer Druckseite und einer Saugseite wird als Definitionsfläche bezeichnet. Zum Zwecke der Auftragsbearbeitung wird diese Definitionsfläche der Schaufel verwendet, die mittels der Winkelverteilung an der Radscheibe und der Deckscheibe und der Schaufeldickenvertei¬ lung beschrieben ist. Aus dieser Definitionsfläche werden in bestimmten Grenzen Teilflächen - je nach Radscheiben- und Deckscheibengeometrie - extrahiert und in einem individuellen Laufradentwurf verwendet.
Geometrische Angaben, wie axial, radial, tangential oder Um- fangsrichtung beziehen sich stets auf eine Rotationsachse des Laufrades, sofern die Bezugnahme nicht anders angegeben ist.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, ein Laufrad für einen Turboverdichter derart weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Laufrädern für gleichen Einsatzzweck verbessert ist.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird vorgeschlagen, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge ein lokales Extremum des Meridionalwinkels der Innen¬ spur vorliegt.
Es hat sich gezeigt, dass die von der Erfindung erkannte vor¬ teilhafte Geometrie der Schaufeln eines Laufrades zu einem besonders guten Wirkungsgrad führt, weil insbesondere eine nur geringe Ablösung im Vergleich zu herkömmlichen Geometrien des Prozessfluids im Betrieb von den Laufradoberflächen erfolgt .
Die von der Erfindung gewählte Definition von relativen
Schaufellängen ermöglicht die In-Bezug-Setzung von Positionen der Innenspur und der Außenspur hinsichtlich der jeweiligen verhältnismäßigen Abstände bzw. Nähe zu der Eintrittskante und Austrittskante.
Grundsätzlich bietet die Erfindung eine vorteilhafte Geomet- rie von Laufrädern sowohl für sogenannte geschlossene Laufrä¬ der (Laufräder mit einer Deckscheibe) und für sogenannte of¬ fene Laufräder, die keine Deckscheibe aufweisen. Die bevor¬ zugte Ausführungsform der Erfindung sind Laufräder mit einer Deckscheibe, die die Strömungskanäle an den Erstreckungsend¬ kanten der Schaufeln angrenzend definiert und im Bereich der Erstreckungsendkanten der Schaufeln an den Schaufeln angebracht wird. Die Ausführungen, die hier für geschlossene Laufräder gemacht sind und sich teilweise auf eine Deckschei¬ be beziehen, gelten auch für offene Laufräder, die keine Deckscheibe aufweisen. Die linienhafte Innenspur erstreckt sich hierbei entlang einer von der Radscheibe aus distalen Erstreckungsendkante der Schaufeln zwischen der Eintrittskan- te und der Austrittskante. Die offenen Strömungskanäle des offenen Laufrades grenzen im Betrieb an eine Statorkontur die zur Radscheibe distale Öffnungen verschließend an, so dass die strömungstechnischen Randbedingungen für Belange der Erfindung ähnlich sind.
Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Geometrie, wenn der Verlauf des Meridionalwinkels zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge der Außenspur monoton fallend ist. Die Erkenntnisse der Erfindung weisen darauf hin, dass die Effizienz des Laufrades gesteigert werden kann, wenn im Gegensatz zu der Innenspur, die Außenspur kein lokales
Extremum im Winkelverlauf entlang der relativen Schaufellänge aufweist . Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 10% und 90% der relativen Schaufellängen die maximale Differenz zwischen der Innenspur und der Außenspur für eine bestimmte Position entlang der relativen Schaufellängen des Meridionalwinkels zwischen 10° und 25° beträgt. Hierbei ist es die besondere Erkenntnis der Erfindung, dass die Meridionalwinkelverteilung auf der Innenspur und der Außenspur sich signifikant unterscheiden. Mit der maximalen Differenz ist in diesem Zusammenhang nicht die höchst mögliche Differenz gemeint, sondern die höchste tatsächlich auf- tretende Differenz. Die Erfindung sieht in dieser vorteilhaf¬ ten Weiterbildung also vor, dass eine tatsächliche maximale Differenz auftritt, die zwischen 10° und 25° zwischen der Innenspur beträgt. Besonders vorteilhaft ist die strömungstech- nische Effizienz, wenn der Ort der maximalen Differenz zwischen Innenspur und Außenspur im Bereich zwischen 15% bis 45% der relativen Schaufellänge liegt. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Austrittskante der Schaufeln jeweils gegenüber einer Meridionalebene nicht geneigt ist. Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass die Austrittskante der Schaufel einen Winkel mit einer Meridionalebene zwischen 0° bis 5° ein- schließt. Die Sollvorgabe, dass die Austrittskante der Schau¬ fel in einer Meridionalebene liegt, wird in der Fachwelt auch als rake = 0 bezeichnet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaufeleintrittskante einen Winkel zwischen 35°bis 45°, bevorzugt 41° mit einer Radialebene ausbildet. Die Eintritts¬ kante der Schaufel befindet sich dementsprechend etwas zu¬ rückversetzt gegenüber der Einströmung in den Impeller. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen
Schaufellänge der Verlauf des Meridionalwinkels der Innenspur einen Wendepunkt zwischen 40% bis 80% der relativen Schaufel¬ länge aufweist. Die in dieser Weise als vorteilhaft erkannte Geometrie trägt zur weiteren Effizienzverbesserung der Strömungsmechanik an der Schaufel des erfindungsgemäßen Laufrades bei .
Es hat sich gezeigt, dass im Bereich zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge der Verlauf einer Schaufeldickenverteilung der Innenspur in Strömungsrichtung bevorzugt monoton steigend ausgebildet sein sollte. In einer weiteren vorteil¬ haften Weiterbildung kann die Schaufeldickenverteilung auf der Außenspur im Wesentlichen konstant gewählt werden.
Im Folgenden sind einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung aufgelistet (1.-8.), die einzeln oder beliebig aber fachmännisch sinnvoll miteinander kombiniert den Erfolg der Erfindung verbessern:
1. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass der Meridionalwinkel der Außenspur sich im Definitionsbereich zwischen -20% (noch außerhalb der eigentlichen Schaufel) bis +20% um weniger als 5% ändert. Das heißt in anderen Worten, dass die Krümmung der Außenspur in diesem Bereich nahezu konstant ist.
2. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass der Winkelverlauf der Außenspur kein ausgeprägtes lokales Extremum zeigt. Der Begriff „loka¬ les Extremum" meint hier ein Extremum im mathematischen Sinne (also die 1. Ableitung der Winkelverteilung wird
Null entspricht hier dem Begriff „lokales Extremum") . Der Meridionalwinkel kann bevorzugt am Schaufeleintritt maximal sein. 3. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass ein „lokales Extremum" (gemeint hier ein Extremum im mathematischen Sinne (also die 1. Ableitung der Winkelverteilung wird Null entspricht hier dem Begriff „lokales Extremum") ) im Bereich der Schaufelaus- trittskante (95%-100% relativen Schaufellänge), bevor¬ zugt unmittelbar an der Schaufelaustrittskante auftritt, so dass die Winkeländerung Null wird.
4. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass der Bereich der größten Winkeländerung der Außenspur zwischen -20% und +20% liegt. Bevorzugt wird stromabwärts die Winkeländerung umgekehrt bzw. zu¬ rückgenommen. Auf diese Weise wird Last aus der Deck¬ scheibenströmung herausgenommen, so dass im weiteren Verlauf Strömungsablösungen vermieden werden.
5. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass ab ca. 70 % der meridionalen Erstreckung der Außenspur sich der Winkel nur noch um weniger als 5% bevorzugt weniger als 3% ändert.
6. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass eine im Meridionalschnitt nach vorn ge¬ neigte Eintrittskante, mit vorzugsweise 41° Neigung, da¬ für sorgt, dass sich die meridionalen Erstreckungen von Innen- und Außenspur nicht mehr so stark voneinander unterscheiden. Hierdurch wird die Strömung an Rad- und Deckscheibe gleichmäßiger belastet.
7. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass der Meridionalwinkel der Außenspur, ab¬ gesehen vom identischen Winkel an der Schaufelaustritts- kante, stets größer ist als der der Innenspur.
8. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass eine bevorzugte maximale Winkeldifferenz zwischen Innen- und Außenspur von 10°-25° im Bereich ei- ner meridionalen Erstreckung von 15% bis 45% vorliegt, bevorzugt zwischen 25% - 35%.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen und Dia- gramme näher verdeutlicht. Es zeigen:
Figur 1 eine Sicht auf ein erfindungsgemäßes Laufrad mit teilweise geschnittener Deckscheibe in axialer Richtung,
Figur 2 einen Meridionalschnitt entlang der Rotationsachse durch eine schematische Darstellung eines Laufrades gemäß dem Schnitt II-II in Figur 1, Figur 3 in synoptischer Wiedergabe eine
Meridionalwinkelverteilung entlang der relativen Schaufellänge sowie der Veränderung des Meridionalwinkels entlang der relativen Schaufel¬ länge .
Figur 4 eine Schaufeldickenverteilung entlang der relativen
Schaufellänge .
Figur 5 eine Detaildarstellung einer Eintrittskante als
schematischer Umfangstangentialschnitt aus radialer Sicht .
Figur 1 zeigt eine axiale Draufsicht auf ein erfindungsgemä¬ ßes Laufrad IMP, umfassend eine Deckscheibe COV, Schaufeln B und eine Radscheibe HW. In der Mitte der Radscheibe HW ist die Drehachse X angegeben, um die sich das Laufrad im Betrieb entlang einer Rotationsrichtung ROT dreht. In eine Radialrichtung ist prinzipiell ein Meridionalschnitt II-II entlang einer Meridionalebene MPL angegeben, der in Figur 2 wiedergegeben ist. Die einzelnen Schaufeln B weisen jeweils eine Druckseite PRS und eine Saugseite SCS auf. In der in Figur 1 dargestellten axialen Draufsicht zeigt sich dem Betrachter die Eintrittskante LE der Schaufel B. Dort, wo die Deckschei¬ be COV in Figur 1 weggeschnitten ist, ist eine Außenspur OT strichpunktiert an der äußeren Erstreckungsendkante OE der Schaufel B wiedergegeben. Direkt an der Radscheibe HW an der inneren Erstreckungsendkante IE, die sich proximal zur Rad¬ scheibe HW befindet, ist ebenfalls strichpunktiert eine In¬ nenspur IT dargestellt. Diese Sachverhalte lassen sich auch an der Figur 2 nachvollziehen. Jede Schaufel B weist an einer zur Radscheibe HW proximalen Erstreckungsendkante IE eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur IT auf, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf der Druckseite PRS bzw. der Saugseite SCS der Schaufel B vorliegen. Jede Schau¬ fel B weist an einer zur Radscheibe HW distalen Erstreckungs- endkante OE eine sich in Strömungsrichtung erstreckende li¬ nienhafte Außenspur auf, derart, dass beidseitig der Außen¬ spur orthogonal gleiche Abstände zu der Schaufeloberfläche auf der Druckseite PRS und zu der Saugseite SCS vorliegen. Diese entsprechenden Innenspuren und Außenspuren an den
Schaufeln lassen sich auch derart definieren, dass diese Spuren jeweils die Menge der Mittelpunkte von in den Schaufel¬ profilen eingeschriebener Kreise sind.
Die Figur 3 zeigt jeweils in Abhängigkeit von der relativen Schaufellänge BLL im oberen Diagrammbereich den Verlauf des Meridionalwinkels für die Innenspur IT und die Außenspur OT und im unteren Diagrammbereich die Ableitung des
Meridionalwinkels ΜΑλ nach der relativen Schaufellänge BL für die Innenspur IT und die Außenspur OT .
Die Schaufeleintrittskante LE bildet hier einen Winkel LEA von 41° mit einer Radialebene RP aus. Die Eintrittskante der Schaufel B befindet sich dementsprechend etwas zurückver¬ setzt .
Das Diagramm der Figur 4 zeigt die Schaufeldickenverteilung als Verlauf über die relative Schaufellänge BLL für die In- nenspur IT und die Außenspur OT .
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass abweichend von diesem Verlauf eine Zuschärfung der Eintrittskanten und Austrittskanten der Schaufeln ausgelegt wird. Beispielhaft zeigt Fi- gur 5 Details zu einer solchen Zuschärfung an einer Eintrittskante einer Radscheibe bzw. Deckscheibe in einem sche¬ matischen Umfangstangentialschnitt aus radialer Sicht. Das dort gezeigte Beispiel ist derart dimensioniert:
Hierbei bedeuten:
SDS: Schaufeldicke Deckscheibe SRS : Schaufeldicke Radscheibe HW
LZ: Länge der Zuschärfung
LU: Übergangsdicke
SU: Übergangslänge.
Diese Parameter sind skalierbar, so dass eine Anwendung auf andere Schaufeldicken möglich ist.
Die Diagramme der Figuren 3 und 4 zeigen jeweils einen Ver- lauf, der beidseitig über die 0%- bzw. 100%-Position der re¬ lativen Schaufellänge BLL hinaus fortgesetzt ist. Hierbei handelt es sich um eine Definitionsfläche, die in dem konkre¬ ten Laufrad von der inneren und äußeren Erstreckungsendkan- te OE, IE, der Eintrittskante LE und der Austrittskante TE der Schaufel B jeweils begrenzt wird. Die erfindungsgemäßen
Erkenntnisse über die Verteilung des Meridionalwinkels MA für eine Schaufel B auch in Verbindung mit der Schaufeldickenverteilung für die Innenspur IT und die Außenspur OT gelten im Wesentlichen unabhängig von dem Ausschnitt aus dieser Defini- tionsfläche sofern gewisse Grenzen nicht überschritten werden. In Grenzen kann auch eine Extrapolation dieser Fläche erfolgen. Die Beschreibung der Schaufeln B mittels der Verteilung des Meridionalwinkels MA und der Dickenverteilung über die Erstreckung der Schaufeln B in Strömungsrichtung bzw. die relative Schaufellänge BLL führt bei einer Verbin¬ dung der von der Innenspur und der Außenspur mittels der Dickenverteilung aufgespannten Schaufelprofile mittels Geraden zu einer dreidimensionalen Fläche im Raum, die mittels eines Flankenfräsverfahrens hergestellt werden kann. Grundsätzlich bevorzugt ist die mittels sogenannter Regelgeraden zwischen den äußeren und inneren Schaufelprofilen aufgespannte dreidimensionale Schaufel, wobei grundsätzlich auch eine andere Ge¬ ometrie als eine Gerade erfindungsgemäß denkbar ist, bei- spielswese ein Bogen, der mittels eines Polygons oder Splines und Stützpunkten definiert ist.
Damit diese so definierte allgemeine Fläche, die auch als De¬ finitionsfläche oder auch als Maximalfläche bezeichnet wird, für unterschiedliche Verdichtungsaufgaben bzw. Laufräder IMP verwendet werden kann, werden mittels Meridionalschnitten aus dieser Definitionsfläche Teilfächen extrahiert zum Zwecke der Verwendung in einem Laufradentwurf . Die erfindungsgemäße De- finitionsfläche eignet sich insofern für einen Einsatzbereich des spezifischen Durchfluss Ψ = V/u * d22 zwischen 0,05 bis 0,16, wobei bedeutet:
V: Volumenstrom in Kubikmeter pro Sekunde
U: Umfangsgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde
d2 : Laufraddurchmesser in Meter.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schaufel B eines
Impellers IMP sieht nach Figur 3 vor, dass zwischen etwa 10% bis 60% der relativen Schaufellänge BLL ein lokales
Extremum LEX des Meridionalwinkels MA der Innenspur IT vorliegt. Bevorzugt liegt dieses lokale Extremum LEX zwischen 25% bis 45% der relativen Schaufellänge BLL. Besonders bevor¬ zugt ist - wie in Figur 3, erstes Diagramm dargestellt - der Verlauf des Meridionalwinkels MA für die Außenspur OT zwi¬ schen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge monoton fal¬ lend. Weiterhin besonders bevorzugt gibt es zwischen der In¬ nenspur IT und der Außenspur OT eine Differenz im
Meridionalwinkel MA, die zu einer maximalen Differenz DLTM entlang der relativen Schaufellänge anwächst, wobei diese tatsächlich vorliegende maximale Differenz, zwischen 10° und 25° beträgt. Besonders bevorzugt tritt diese maximale Diffe¬ renz DLTM im Bereich zwischen 15% bis 45% der relativen
Schaufellänge BLL auf. Besonders bevorzugt weisen die Innen- spur IT und die Außenspur OT im Bereich der Austrittskante TE - also bei 100% der relativen Schaufellänge BLL - den glei¬ chen Meridionalwinkel MA auf. Hieraus ergibt sich, dass die mittlere Erstreckung der Austrittskante TE der Schaufel B ei¬ nen Winkel mit einer Meridionalebene MPL von etwa 0° ein- schließt bzw. zu dieser Meridionalebene MPL parallel ist. Be¬ vorzugt sollte diese Winkelabweichung zu der
Meridionalebene MPL der Austrittskante TE geringer als 5° sein. Eine weitere besonders bevorzugte und in dem Ausfüh- rungsbeispiel gezeigte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass im Bereich zwischen 40% bis 80% der relativen Schaufellänge BLL der Verlauf des Meridionalwinkels MA der Innen¬ spur IT einen Wendepunkt TP aufweist.

Claims

Patentansprüche
1. Laufrad (IMP) eines Turboverdichters (TCO), zur Rotation um eine Achse (X) , umfassend einen Eintrittsquer- schnitt (IN) zur im wesentlichen axialen Einströmung eines
Prozessfluids (PF) in das Laufrad (IMP),
umfassend einen Austrittsquerschnitt (EX) zum im wesentli¬ chen radialen Austritt des Prozessfluids (PF) aus dem Lauf¬ rad (IMP),
umfassend eine Radscheibe (HW) , die eine nabenseitige Um¬ lenkkontur von der axialen Strömungsrichtung in die radiale Strömungsrichtung definiert,
umfassend an der Radscheibe (HW) angebrachte Schaufeln (B) , die zumindest über einen Teil des Strömungspfades des Pro- zessfluids (PF) durch das Laufrad (IMP) Strömungskanä¬ le (FC) von einer Eintrittskante (LE) bis zu einer Aus¬ trittskante (TE) in Umfangsrichtung definieren,
wobei jede Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) proxi¬ malen Erstreckungsendkante (IE) eine in Strömungsrichtung sich erstreckende linienhafte Innenspur (IT) definiert, derart, dass beidseitig der Innenspur orthogonal gleiche Abstände zu einer Schaufeloberfläche auf einer Drucksei¬ te (PRS) bzw. einer Saugseite (SCS) der Schaufel (B) vor¬ liegen,
wobei die Schaufel (B) an einer zur Radscheibe (HW) dista¬ len Erstreckungsendkante (OE) eine sich in Strömungsrichtung erstreckende linienhafte Außenspur definiert, derart, dass beidseitig der Außenspur (OT) orthogonal gleiche Ab¬ stände zu der Schaufeloberfläche zu der Druckseite (PRS) und zu der Saugseite (SCS) der Schaufel (B) vorliegen, wobei eine relative Schaufellänge (BLL) für jede Position auf einer Spur (T) , die eine Innenspur (IT) oder Außenspur (OT) ist, jeweils definiert sind als Anteil der strom¬ abwärts dieser Position befindlichen Schaufellänge zu der gesamten Schaufellänge der betreffenden Spur (T) , nämlich
Innenspur (IT) oder Außenspur (OT) ,
wobei ein Meridionalwinkel (MA) für jede Position einer Spur (T) definiert ist als der stromaufwärts eingeschlosse- ne Winkel zwischen einer Meridionalebene (MPL) durch diese Position und einer Tangente an der Spur (T) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellän- ge (BLL) ein lokales Extremum (LEX) des
Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) vorliegt.
2. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei das lokale
Extremum (EX01) des Verlaufs des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) zwischen 25% - 45% der relativen Schaufellänge (BLL) liegt.
3. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei der Verlauf des
Meridionalwinkels (MA) zwischen 10%-90% der relativen
Schaufellänge (BLL) der Außenspur (OT) monoton fallend ist.
4. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei das Laufrad (IMP) eine Deckscheibe (COV) aufweist, die die Strömungskanä¬ le (FC) an den Erstreckungsendkante (OE) angrenzend defi- niert und im Bereich der Erstreckungsendkante (OE) an den
Schaufeln (B) angebracht ist.
5. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) die maximale Differenz (DLTM) zwischen der Innenspur (IT) und der Außenspur (OT) für eine bestimmte Position entlang der relativen Schaufellängen (BLL) des Meridionalwinkels (MA) zwischen 10° und 25° beträgt.
6. Laufrad (IMP) nach Anspruch 5, wobei die maximale Diffe¬ renz (DLTM) zwischen der Innenspur (IT) und der Außenspur (OT) entlang der relativen Schaufellängen (BLL) des Meridionalwinkels (MA) im Bereich zwischen 15%-45% der re¬ lativen Schaufellängen (BLL) liegt.
7. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei die mittlere Er- streckung der Austrittskante (TE) der Schaufel (B) einen Winkel mit einer Meriodinalebene (MPL) zwischen 0°-5° ein- schließt, bevorzugt 0° beträgt.
8. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) der Verlauf des Meridionalwinkels (MA) der Innenspur (IT) einen Wendepunkt (TP) zwischen 40% - 80% der relativen Schaufellänge (BLL) aufweist.
9. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei im Bereich zwischen 10%-90% der relativen Schaufellängen (BLL) der Verlauf einer Schaufeldickenverteilung (BT) der Innenspur (IT) in Strömungsrichtung monoton steigend ist.
10. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei die Schaufelein- trittskante (LE) einen Winkel (LEA) zwischen 35°bis 45°, bevorzugt 41° mit einer Radialebene (RP) ausbildet.
11. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1, wobei der Verlauf des Meridionalwinkels der Außenspur zwischen 10% bis 90% der relativen Schaufellänge monoton fallend ist.
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