EP3690254A1 - Laufrad einer radialturbomaschine, radialturbomaschine - Google Patents

Laufrad einer radialturbomaschine, radialturbomaschine Download PDF

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EP3690254A1
EP3690254A1 EP19154646.4A EP19154646A EP3690254A1 EP 3690254 A1 EP3690254 A1 EP 3690254A1 EP 19154646 A EP19154646 A EP 19154646A EP 3690254 A1 EP3690254 A1 EP 3690254A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blades
impeller
radial
imp
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19154646.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Paul HARTMANN
Viktor Hermes
Nico Petry
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP19154646.4A priority Critical patent/EP3690254A1/de
Publication of EP3690254A1 publication Critical patent/EP3690254A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F04D29/286—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors multi-stage rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction

Definitions

  • Impellers of the type of radial turbomachinery defined at the outset basically carry out two flow-changing processes at the same time, namely a deflection from an axial flow direction into a radial flow direction - or vice versa - and an acceleration or deceleration of the process fluid.
  • the impeller as a component of a radial compressor, the statements also being valid for a radial expander reversing the statements relating to the flow, so that the alternative to the compressor of the radial turbomachine can also be subsumed under the invention and the statements made here .
  • the object of the invention is to reduce the aerodynamic loss in the impeller and behind the impeller downstream.
  • the invention proposes an impeller of the type defined at the outset with the additional features of the characterizing part of claim 1 and a radial turbine machine with such an impeller, the dependent subclaims each containing advantageous developments of the invention.
  • the outer cut (in the sense of radially outside) of the impeller blade is sometimes referred to with a cover disk, regardless of whether the impeller is designed with or without a cover disk.
  • the present invention relates to open and closed impellers alike.
  • the invention is based, among other things, on the following considerations.
  • work on the fluid is carried out in the impeller in the form of pressure change work and by supplying kinetic energy.
  • impellers are being developed that realize increasingly higher specific volume flows.
  • the inlet and outlet heights and widths - i.e. the inflow and outflow cross sections - must be increased.
  • the blade length in the direction of flow on the cover disk with closed impellers - or at the tip of the blade with open impellers - becomes increasingly shorter compared to the blade length on the wheel disk.
  • a possible countermeasure is a change of the outer lane to the inner lane such that the outer lane is again approximately the same length as the inner lane.
  • this measure inevitably leads to a longer extension in the circumferential direction - that is to say to a larger wrap angle of the outer track. Since a blade that has a larger wrap angle on the cover disk in comparison to the wheel disk in the circumferential direction is unfavorable, in particular for mechanical and manufacturing reasons, this measure has narrow limits. A large difference in the blade length on the cover and wheel disc, together with the greater curvature on the cover disc in a meridional section, means that the flow at the cover disc or blade tip is often overloaded.
  • the invention provides a remedy by means of an intermediate wall which extends in a circumferential direction and separates the flow channels - that is to say first blade channels and second blade channels.
  • the impeller is comparatively designed as a "double-decker” or even “multiple-decker” with several false ceilings.
  • cross flows to the main flow direction in the area of the intermediate wall are prevented, and on the other hand, the construction with the intermediate wall enables individual blade design and an individualized number of blades in the two planes of the impeller, which are largely parallel to one another.
  • two impeller flow passages are created, which can differ in their design and thus represent a further degree of freedom for optimizing the impeller performance.
  • the inflow cross sections and outflow cross sections of the individual blade channels can be optimized for their respective aerodynamic task.
  • the invention designates an average main flow direction of a process fluid flowing through the impeller.
  • the impeller has a cover disk extending in the circumferential direction and the second vane channels extend transversely to a second flow direction up to the cover disk.
  • the difference between a cover plate and an intermediate wall in the terminology of the invention is that there are blades on an intermediate wall radially on the outside and no blades are attached to the cover plate on the radially outside, which delimit individual blade channels for the process fluid from one another in the circumferential direction.
  • the second flow channels or second blade channels or, in the case of further blade channel levels of the impeller the outermost blade channels are designed either with or without a cover disk. If the cover plate is missing, a flow contour of the stator delimits the second blade channels radially outwards. As a result of the flow being held at the respective limiting contour, this variant represents a significantly different aerodynamic situation compared to the closed impeller.
  • the first axial flow opening has a first radial height defined by the radial blade height of the first blades (a radial compressor is the inflow into the impeller), the second axial flow opening using a the radial blade height of the second blades has a second radial height, where: 0.3 ⁇ B12 / B11 ⁇ 0.7 with B11 as the first radial height and B12 as the second radial height.
  • the following range for the ratio has proven to be particularly advantageous: 0.4 ⁇ B12 / B11 ⁇ 0.55, with B11 as the first radial height and B12 as the second radial height.
  • first blades or of the second blades are designed as splinter blades.
  • Splinter blades are blades with an axially or radially recessed leading edge (axial recess on compressors, radial recess on expanders).
  • the preferred variant of the use of splinter blades is an alternating arrangement of splitter blades and normally designed blades which have an inlet edge positioned upstream above the splitter blades.
  • a first blade thickness of the first blades averaged over the blade height and profile extension is configured differently than a second blade thickness of the second blades averaged over the blade height and profile extension.
  • a further advantageous optimization of the invention provides that the first blades have at least in part a first deflecting metal angle averaged over the blade height, the second blades at least in part having a second deflecting metal angle averaged over the blade height, the first deflecting metal angle being embodied differently from that second deflection metal angle.
  • the deflection metal angles of all first blades are particularly preferably identical.
  • the deflection metal angles of all second blades are particularly preferably identical.
  • the invention understands the respective metal angle as the angle which refers to the actual geometric conditions of the blades in question. The actual flow deflection in a circumferential direction can soften significantly from the deflection metal angle.
  • the deflection metal angle is a size averaged over the height of the bucket. If the deflection from axial to radial or vice versa is disregarded, for a middle or height-averaged blade profile it is an angle between the tangent to the chord at the leading edge to a tangent to the chord at the trailing edge.
  • FIG 1 schematically shows a radial turbomachine RTM according to the invention with a housing CAS and a rotor, which comprises a shaft SHT and an impeller IMP according to the invention.
  • Support for the shaft SHT extending along an axis X is provided by two BEA bearings.
  • the housing CAS is sealed to the environment by means of a shaft seal SHS provided in the area of the two bearings between the housing CAS and the shaft SHT.
  • the impeller IMP extends along a circumferential direction CDR about the axis X. It comprises a wheel disk HWL, a plurality of first blades BL1, a plurality of second blades BL2, a plurality of first blade channels CN1 arranged between the first blades BL1 and a plurality between the second blades BL2 arranged second blade channels CN2.
  • the first blade channels CN1 have first axial flow openings IN1 for a flow in the axial direction and first radial flow openings EX1 for a flow in the radial direction.
  • the second blade channels CN1 in turn comprise second axial flow openings IN2 for a flow in the axial direction and first radial flow openings EX2 for a flow in the radial direction.
  • the first blade channels CN1 extend along the wheel disk HWL transversely to a first flow direction FD1 along a curved flow path through the impeller IMP to an intermediate wall CVW which extends in the circumferential direction CDR.
  • the second blade channels CN2 of the impeller IMP extend in the circumferential direction CDR separated from one another by means of second blades BL2 along the intermediate wall DVW.
  • the second blade channels CN2 have second axial flow openings IN2 for a flow in the axial direction and second radial flow openings EX2 for a flow in the radial direction.
  • the Figure 1 shows an impeller IMP with a cover disk SHR, which delimits the second flow channels radially outward.
  • the omission of the cover disk SHR is conceivable in the sense of the invention, so that the first vane channels CN1 are closed vane channels and the second vane channels CN2 are open vane channels.
  • the second variant is not shown separately, but by means of Figure 1 also disclosed here, the component with the reference symbol SHR (cover plate SHR) being omitted in this view.
  • the SHR cover disk is therefore an optional component in the sense of the invention.
  • the first blades BL1 extend with a blade profile of thickness BT1 from a first leading edge LE1 in the area of a first flow opening IN1 to a radial flow opening EX1.
  • first leading edge LE1 in the manner of designing the first blades BL1 as a splinter blade SP1 is indicated by means of a dashed line Splinter blade leading edge LES.
  • second leading edge LE2 it would be preferable for every second leading edge LE1 for the first blades BL1 and / or for the second blades BL2 (reference symbol: second leading edge LE2) to be designed as a splitter blade leading edge LES, that is to say in the form of first splitter blades SP1 and / or second splitter blades SP2 are.
  • the impeller IMP is flowed against by a process fluid PFL at a flow angle ⁇ 1 and at a speed w1.
  • the process fluid PFL is divided into two flow directions FD1, FD2, a first flow direction FD1 in the first blade channel CN1 and a second flow direction FD2 in the second blade channel CN2.
  • the proportionality of this division is also dependent on the ratio between a first radial height B11 defined by the radial blade height of the first blades BL1 in the area of the first radial flow opening IN1 to the second radial height B12 defined by the radial blade height of the second blades BL2 in the area of second axial flow opening IN2.
  • the acceleration of the process fluid PFL in the two separate blade channels CN1, CN2 is dependent on the ratio of the axial blade heights in the region of the second radial flow openings EX1, EX2.
  • the first radial flow opening EX1 is an outlet width B21 defined by means of the axial blade height of the first blades BL1
  • the second radial flow opening EX2 is a second axial outlet width defined by means of the axial blades BL2, where: 0.3 ⁇ B22 / B21 ⁇ 0.55 .
  • the invention particularly advantageously provides that a first number S1 of first blades BL1 differs from a second number S2 of second blades BL2, where: 0.5 ⁇ S2 / S1 ⁇ 2.0.
  • the first blade thickness BT1 of the first blades BL1, averaged over the blade height and profile extension, is configured differently than a second blade thickness BT2, averaged over the blade height and profile extension, of the second blades.
  • the process fluid PFL leaves the area of the radial outlet openings EX1, EX2 of the two blade channels CN1, CN2 with different deflections or with different outflow angles ⁇ 21, ⁇ 22 and different speeds w21, w22. This circumstance is due to differently shaped deflection metal angles, namely a first deflection metal angle ⁇ 1 of the first blades BL1 and a second deflection metal angle ⁇ 2 of the second blades BL2.

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) einer Radialturbomaschine (RTM)
dass sich entlang einer Umfangsrichtung (CDR) um eine Achse (X) erstreckt,
umfassend
- eine Radscheibe (HWL),
- mehrere erste Schaufeln (BL1),
- mehrere zwischen den Schaufeln (BL1) angeordnete erste Schaufelkanäle (CN1),
- wiederum umfassend:
- erste axiale Strömungsöffnung (IN1),
- erste radiale Strömungsöffnungen (EX1).
Zur Verbesserung der Aerodynamik eines derartigen Laufrads wird vorgeschlagen, dass die ersten Schaufelkanäle (CN1) sich entlang der Radscheibe (HWL) erstrecken und sich quer zu einer ersten Durchströmungsrichtung (FD1) bis zu einer Zwischenwand (DVW) erstrecken,
wobei zweite Schaufelkanäle (CN2) des Laufrades (IMP) sich in Umfangsrichtung (CDR) voneinander mittels zweiter Schaufeln (BL2) getrennt sich entlang der Zwischenwand (DVW) erstrecken,
wobei die zweiten Schaufelkanäle (CN2) zweite axiale Strömungsöffnungen (IN2) und zweite radiale Strömungsöffnungen (EX2) aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Laufrad einer Radialturbomaschine, das sich entlang einer Umfangsrichtung um eine Achse erstreckt,
    umfassend
    • eine Radscheibe,
    • mehrere erste Schaufeln,
    • mehrere zwischen den Schaufeln angeordnete erste Schaufelkanäle, wiederum umfassend:
    • erste axiale Strömungsöffnung,
    • erste radiale Strömungsöffnungen. Daneben betrifft die Erfindung eine Radialturbomaschine mit einem derartigen Laufrad.
  • Aus der EP 3 364 039 A1 und der EP 3 361 101 A1 sind bereits Radialturbomaschinen mit Laufrädern eingangs definierter Art bekannt.
  • Laufräder der eingangs definierten Art von Radialturbomaschinen vollziehen grundsätzlich gleichzeitig zwei strömungsändernde Prozesse, nämlich eine Umlenkung aus einer axialen Strömungsrichtung in eine radiale Strömungsrichtung - oder umgekehrt - und eine Beschleunigung oder Verzögerung des Prozessfluids. Im Folgenden wird auf das Laufrad als Bestandteil eines Radialverdichters Bezug genommen, wobei die Ausführungen auch Gültigkeit haben für einen Radialexpander unter Umkehrung der auf die Strömung bezogenen Aussagen, so dass auch die Alternative zum Verdichter der Radialturbomaschine unter die Erfindung und die hier getätigten Ausführungen subsumierbar ist.
    Ausdrücke, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets - wenn nicht anders angegeben - auf die in Bezug genommene zentrale Achse, um die sich das Laufrad entlang einer Umfangsrichtung erstreckt und um die das Laufrad in der Regel drehbar ausgebildet ist. Bei Bezugnahme auf eine Strömungsrichtung ist die über einen Querschnitt des jeweiligen Strömungskanals gemittelte Strömung eines Prozessfluids gemeint, das verschiedene Strömungskanäle des Laufrades durchströmt.
    Als Prozessfluid ist grundsätzlich ein beliebiges Fluid denkbar, wobei insbesondere kompressible Fluide - bevorzugt Gase - gemeint sind.
  • Aufgrund der überlagerten Funktion des Umlenkens und des Beschleunigens des Prozessfluids mittels des Laufrades weisen nicht alle Strömungspfade durch das Laufrad die gleiche Länge, Geschwindigkeitsverteilung und Druckverteilung auf und es bildet sich eine sehr komplexe, häufig durch Turbulenzen und Ablösungen geprägte Strömung aus. Mit zunehmendem Schluckvermögen des Laufrades nehmen Differenzen zwischen den einzelnen Strömungspfaden zu und es kommt zunehmend zu unerwünschten Sekundärströmungseffekten, die eine Laminarität der Strömung stören bzw. verringern und zur Erhöhung der aerodynamischen Verluste führen.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den aerodynamischen Verlust in dem Laufrad und hinter dem Laufrad stromabwärts zu verringern.
  • Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Laufrad der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vor und eine Radialturbomaschine mit einem derartigen Laufrad, wobei die abhängigen Unteransprüche jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beinhalten.
  • Im Folgenden wird teilweise mit Deckscheibe der Außenschnitt (im Sinne von radial außen) der Laufradschaufel bezeichnet unabhängig davon, ob das Laufrad mit oder ohne Deckscheibe ausgeführt ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf offene und geschlossene Laufräder gleichermaßen.
  • Der Erfindung liegen unter anderem Folgende Überlegungen zugrunde. Bei einem Radialverdichter wird im Laufrad Arbeit am Fluid in Form von Druckänderungsarbeit und durch Zufuhr kinetischer Energie verrichtet. Für möglichst hohe Leistungsdichten werden Laufräder entwickelt, die zunehmend höhere spezifische Volumenströme realisieren. Hierzu müssen die Ein- und Austritts -höhen bzw. -breiten - also die Zu- und Abströmquerschnitte - vergrößert werden. Dabei wird die Schaufellänge in Strömungsrichtung an der Deckscheibe bei geschlossenen Laufrädern - bzw. an der Schaufelspitze bei offenen Laufrädern - zunehmend kürzer im Vergleich zur Schaufellänge an der Radscheibe.
    Eine mögliche Gegenmaßnahme ist eine Änderung der Außenspur zur Innenspur derart, dass die Außenspur wieder annähernd gleich lang ist, wie die Innenspur. Diese Maßnahme führt infolge der geringeren radialen und axialen Erstreckung der Außenspur zwangsläufig zu einer längeren Erstreckung in Umfangsrichtung - also zu einem größeren Umschlingungswinkel der Außenspur. Da eine Schaufel, die in Umfangsrichtung einen größeren Umschlingungswinkel an der Deckscheibe im Vergleich zur Radscheibe hat, insbesondere aus mechanischen und fertigungstechnischen Gründen ungünstig ist, sind dieser Maßnahme enge Grenzen gesetzt.
    Ein großer Unterschied in der Schaufellänge an der Deck- und Radscheibe führt gemeinsam mit der größeren Krümmung an der Deckscheibe in Meridionalschnitt dazu, dass die Strömung an der Deckscheibe bzw. Schaufelspitze oft überlastet ist. Dies äußert sich in einer energetisch schwachen, deckscheibenseitigen Grenzschicht sowie in einem flachen Strömungswinkel am Austritt des Laufrades und die Ablösegefahr im in der Regel stromabwärts befindlichen Diffusor steigt. Konsequenterweise ist die Strömung im Diffusor stark 3-dimensional. Strömungswinkelprofil, Totaldruckprofil, Totaltemperaturprofil weisen eine starke Abhängigkeit von der Position im Diffusor auf. Das wirkt sich negativ auf die Auslegung der stromabwärts liegenden Statorkomponenten der Radialturbomaschine aus.
  • Die Erfindung schafft Abhilfe durch eine sich in einer Umfangsrichtung erstreckenden Zwischenwand, die Strömungskanäle - also erste Schaufelkanäle und zweite Schaufelkanäle voneinander trennt. Das Laufrad ist vergleichsweise als "Doppeldecker" oder sogar "Mehrfachdecker" bei mehreren Zwischendecken ausgebildet. Einerseits werden Querströmungen zur Hauptströmungsrichtung im Bereich der Zwischenwand unterbunden und andererseits ermöglicht die Konstruktion mit der Zwischenwand eine individuelle Schaufelgestaltung und eine individualisierte Schaufelanzahl in den beiden weitestgehend zueinander parallel ausgebildeten Ebenen des Laufrades. Im Grunde entstehen zwei Laufradströmungspassagen, die in ihrem Design voneinander abweichen können und damit einen weiteren Freiheitsgrad zur Optimierung der Laufradleistung darstellen. Insbesondere können die Zuströmquerschnitte und Abströmquerschnitte der einzelnen Schaufelkanäle auf ihre jeweilige aerodynamische Aufgabe hin optimiert werden. Mit einer Durchströmungsrichtung durch die jeweiligen Schaufelkanäle bezeichnet die Erfindung eine mittlere Hauptströmungsrichtung eines das Laufrad durchströmenden Prozessfluids.
  • Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch denkbar, dass neben einer Zwischenwand auch mehrere Zwischenwände zur Abgrenzung von Schaufelkanälen zueinander vorgesehen sind. Auf diese Weise wäre vergleichbar nicht nur ein Doppeldecker von der Erfindung erfasst, sondern auch "Mehrfachdecker".
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Laufrad eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Deckscheibe aufweist und sich die zweiten Schaufelkanäle quer zu einer zweiten Durchströmungsrichtung bis zu der Deckscheibe erstrecken. Der Unterschied einer Deckscheibe zu einer Zwischenwand in der Terminologie der Erfindung liegt darin, dass sich an einer Zwischenwand radial außen Schaufeln befinden und an der Deckscheibe keine Schaufeln radial außen angebracht sind, die einzelne Schaufelkanäle für das Prozessfluid in Umfangsrichtung voneinander abgrenzen. In einer realen Radialturbomaschine können die zweiten Strömungskanäle bzw. zweiten Schaufelkanäle oder bei weiteren Schaufelkanalebenen des Laufrades die äußersten Schaufelkanäle entweder mit oder ohne Deckscheibe ausgebildet sein. Im Falle des Fehlens der Deckscheibe übernimmt eine Strömungskontur des Stators die Abgrenzung der zweiten Schaufelkanäle nach radial außen. In Folge der Haftbedingung der Strömung an der jeweiligen Begrenzungskontur stellt bei dieser Variante gegenüber dem geschlossenen Laufrad eine signifikant andere aerodynamische Situation dar.
  • Dieser anderen aerodynamischen Situation kann die Erfindung ohne weiteres mittels individuell darauf angepasster Schaufeln für die in Umfangsrichtung vorgesehene Abgrenzung der einzelnen Schaufelkanäle voneinander Rechnung tragen.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste axiale Strömungsöffnung eine mittels der radialen Schaufelhöhe der ersten Schaufeln definierte erste radiale Höhe aufweist (bei einem Radialverdichter handelt es sich hierbei um die Zuströmung in das Laufrad), wobei die zweite axiale Strömungsöffnung eine mittels der radialen Schaufelhöhe der zweiten Schaufeln zweite radiale Höhe aufweist, wobei gilt:
    0,3 < B12/B11 < 0,7 mit B11 als erste radiale Höhe und B12 als zweite radiale Höhe.
    Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei insbesondere der folgende Bereich für das Verhältnis herausgestellt: 0,4 < B12/B11 < 0,55, mit B11 als erste radiale Höhe und B12 als zweite radiale Höhe.
  • Weiterhin hat es sich als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben, dass die erste radiale Strömungsöffnung eine mittels der axialen Schaufelhöhe der ersten Schaufeln definierte erste axiale Austrittsweite aufweist (bei einem Radialverdichter handelt es sich hierbei um den Austritt aus dem Laufrad in radialer Strömungsrichtung), wobei die zweite radiale Strömungsöffnung eine mittels der axialen Schaufelhöhe der zweiten Schaufeln definierte zweite axiale Austrittsweite aufweist, wobei gilt: 0,3 < B22/B21 < 0,55, mit B22 = zweite axiale Austrittsweite und B21 = erste axiale Austrittsweite.
  • Besonders zweckmäßig ist eine Anpassung der Schaufelanzahl für die mittels der Zwischenwand getrennten Schaufelkanäle derart, dass das Laufrad eine erste Anzahl an ersten Schaufeln aufweist und eine zweite Anzahl an zweiten Schaufeln, wobei gilt, dass 0,5 > S2/S1 < 2,0 mit S2 = zweite Anzahl an zweiten Schaufeln und S1 = erste Anzahl an ersten Schaufeln.
  • Hierbei ist es zweckmäßig, wenn von den ersten Schaufeln oder von den zweiten Schaufeln zumindest einige oder alle als Splitterblades ausgebildet sind. Splitterblades sind Schaufeln mit axial oder radial zurückversetzter Eintrittskante (axialer Rückversatz bei Verdichter, radialer Rückversatz bei Expander). Die bevorzugte Variante des Einsatzes von Splitterblades ist eine abwechselnde Anordnung von Splitterblades und normal ausgebildeten Schaufeln, die über den Splitterblades eine stromaufwärts positionierte Eintrittskante aufweisen.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelte erste Schaufeldicke der ersten Schaufeln anders ausgebildet ist als eine über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelte zweite Schaufeldicke der zweiten Schaufeln.
  • Eine weitere vorteilhafte Optimierung der Erfindung sieht vor, dass die ersten Schaufeln zumindest zum Teil einen über die Schaufelhöhe gemittelten ersten Umlenkmetallwinkel aufweisen, wobei die zweiten Schaufeln zumindest zum Teil einen über die Schaufelhöhe gemittelten zweiten Umlenkmetallwinkel aufweisen, wobei der erste Umlenkmetallwinkel anders ausgeführt ist als der zweite Umlenkmetallwinkel. Besonders bevorzugt sind die Umlenkmetallwinkel aller ersten Schaufeln identisch ausgebildet. Ebenso sind besonders bevorzugt die Umlenkmetallwinkel aller zweiten Schaufeln identisch ausgebildet. Unter dem jeweiligen Metallwinkel versteht die Erfindung die auf die tatsächlichen geometrischen Gegebenheiten der gegenständlichen Schaufeln Bezug nehmenden Winkel. Die tatsächliche Strömungsumlenkung in eine Umfangsrichtung kann von dem Umlenkmetallwinkel signifikant aufweichen. Grundsätzlich ist aber bei einem größeren Umlenkmetallwinkel auch bei ansonsten gleichen Bedingungen eine stärkere Strömungsumlenkung zu erwarten. Es handelt sich bei dem Umlenkmetallwinkel - wenn nicht anders angegeben - um eine über die Schaufelhöhe gemittelte Größe. Wird die Umlenkung von axial nach radial oder umgekehrt außer Acht gelassen, so handelt es sich für ein mittleres bzw. über die Höhe gemitteltes Schaufelprofil um einen Winkel zwischen der Tangente an der Profilsehne an der Eintrittskante zu einer Tangente an der Profilsehne an der Austrittskante.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
    • Figur 1:
    einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Radialturbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Laufrad.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Radialturbomaschine RTM mit einem Gehäuse CAS und einem Rotor, der eine Welle SHT und ein Laufrad IMP nach der Erfindung umfasst. Unterstützung der sich entlang einer Achse X erstreckenden Welle SHT ist durch zwei Lager BEA vorgesehen. Das Gehäuse CAS ist mittels einer im Bereich der beiden Lager jeweils vorgesehenen Wellendichtung SHS zwischen dem Gehäuse CAS und der Welle SHT zur Umgebung hin abgedichtet.
  • Das Laufrad IMP erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung CDR um die Achse X. Es umfasst eine Radscheibe HWL, mehrere erste Schaufeln BL1, mehrere zweite Schaufeln BL2, mehrere zwischen den ersten Schaufeln BL1 angeordnete erste Schaufelkanäle CN1 und mehrere zwischen den zweiten Schaufeln BL2 angeordnete zweite Schaufelkanäle CN2. Die ersten Schaufelkanäle CN1 weisen erste axiale Strömungsöffnungen IN1 für eine Durchströmung in axialer Richtung und erste radiale Strömungsöffnungen EX1 für eine Durchströmung in radialer Richtung auf. Die zweiten Schaufelkanäle CN1 umfassen wiederrum zweite axiale Strömungsöffnungen IN2 für eine Durchströmung in axialer Richtung und erste radiale Strömungsöffnungen EX2 für eine Durchströmung in radialer Richtung. Die ersten Schaufelkanäle CN1 erstrecken sich entlang der Radscheibe HWL quer zu einer ersten Strömungsrichtung FD1 entlang eines gebogenen Strömungspfades durch das Laufrad IMP bis zu einer sich in Umfangsrichtung CDR sich erstreckenden Zwischenwand CVW. Die zweiten Schaufelkanäle CN2 des Laufrades IMP erstrecken sich in Umfangsrichtung CDR voneinander getrennt mittels zweiter Schaufeln BL2 entlang der Zwischenwand DVW. Die zweiten Schaufelkanäle CN2 weisen zweite axiale Strömungsöffnungen IN2 für eine Durchströmung in axialer Richtung und zweite radiale Strömungsöffnungen EX2 für eine Durchströmung in radialer Richtung auf.
  • Die Figur 1 zeigt ein Laufrad IMP mit einer Deckscheibe SHR, die die zweiten Strömungskanäle nach radial außen hin abgrenzt. Grundsätzlich ist das Fortlassen der Deckscheibe SHR im Sinne der Erfindung denkbar, so dass es sich bei den ersten Schaufelkanälen CN1 um geschlossene Schaufelkanäle und bei den zweiten Schaufelkanälen CN2 um offene Schaufelkanäle handelt. Die zweite Variante ist nicht extra dargestellt, sondern mittels der Figur 1 hier ebenfalls offenbart, wobei das Bauteil mit dem Bezugszeichen SHR (Deckscheibe SHR) bei dieser Sichtweise gedanklich fortgelassen wird. Bei der Deckscheibe SHR handelt es sich also im Sinne der Erfindung um ein optionales Bauteil. Die ersten Schaufeln BL1 erstrecken sich mit einem Schaufelprofil der Stärke BT1 von einer ersten Eintrittskante LE1 im Bereich einer ersten Strömungsöffnung IN1 bis hin zu einer radialen Strömungsöffnung EX1. Die Möglichkeit der Ausführung der ersten Eintrittskante LE1 in der Art einer Ausführung der ersten Schaufeln BL1 als Splitterblade SP1 ist angedeutet mittels einer gestrichelt dargestellten Splitterblade-Eintrittskante LES. Bevorzugt wäre im Falle einer optionalen Splitterbladeausführung, dass jede zweite Eintrittskante LE1 für die ersten Schaufeln BL1 und/oder für die zweiten Schaufeln BL2 (Bezugszeichen: zweite Eintrittskante LE2) als Splitterbladeeintrittskante LES ausgebildet ist, also erste Splitterblades SP1 und/oder zweite Splitterblades SP2 ausgebildet sind. Das Laufrad IMP wird von einem Prozessfluid PFL angeströmt in einem Anströmwinkel β1 und in einer Geschwindigkeit w1. In Folge der Anordnung der Zwischenwand DVW zwischen den ersten Schaufelkanälen CN1 und den zweiten Schaufelkanälen CN2 teilt sich das Prozessfluid PFL in zwei Strömungsrichtungen FD1, FD2 auf, eine erste Strömungsrichtung FD1 in dem ersten Schaufelkanal CN1 und eine zweite Strömungsrichtung FD2 in dem zweiten Schaufelkanal CN2. Die Anteiligkeit dieser Aufteilung ist auch abhängig von dem Verhältnis zwischen einer ersten radialen Höhe B11 definiert durch die radiale Schaufelhöhe der ersten Schaufeln BL1 im Bereich der ersten radialen Strömungsöffnung IN1 zu der zweiten radialen Höhe B12 definiert durch die radiale Schaufelhöhe der zweiten Schaufeln BL2 im Bereich der zweiten axialen Strömungsöffnung IN2. Es gilt für diese radialen Höhen B11, B12: 0,3 < B12/B11 < 0,7. Besonders bevorzugt gilt für die radialen Höhen B11, B12: 0,4 < B12/B11 < 0,55.
  • Insbesondere die Beschleunigung des Prozessfluids PFL in den beiden voneinander getrennten Schaufelkanälen CN1, CN2 ist von dem Verhältnis der axialen Schaufelhöhen im Bereich der zweiten radialen Strömungsöffnungen EX1, EX2 abhängig. Hierbei ist die erste radiale Strömungsöffnung EX1 eine mittels der axialen Schaufelhöhe der ersten Schaufeln BL1 definierte Austrittsweite B21 und die zweite radiale Strömungsöffnung EX2 eine mittels der axialen Schaufeln BL2 definierte zweite axiale Austrittsweite, wobei gilt: 0,3 < B22/B21 < 0,55.
  • Besonders zweckmäßig sieht die Erfindung vor, dass eine erste Anzahl S1 an ersten Schaufeln BL1 sich unterscheidet von einer zweiten Anzahl S2 an zweiten Schaufeln BL2, wobei gilt: 0,5 < S2/S1 < 2,0. Die über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelte erste Schaufeldicke BT1 der ersten Schaufeln BL1 ist anders ausgebildet als eine über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelte zweite Schaufeldicke BT2 der zweiten Schaufeln. Das Prozessfluid PFL verlässt den Bereich der radialen Austrittsöffnungen EX1, EX2 der beiden Schaufelkanäle CN1, CN2 mit unterschiedlicher Umlenkung bzw. mit unterschiedlichem Abströmwinkel β21, β22 und unterschiedlichen Geschwindigkeiten w21, w22. Dieser Umstand liegt an verschieden gestalteten Umlenkmetallwinkeln, nämlich einem ersten Umlenkmetallwinkel δ1 der ersten Schaufeln BL1 und einem zweiten Umlenkmetallwinkel δ2 der zweiten Schaufeln BL2.

Claims (10)

  1. Laufrad (IMP) einer Radialturbomaschine (RTM),
    das sich entlang einer Umfangsrichtung (CDR) um eine Achse (X) erstreckt,
    umfassend
    - eine Radscheibe (HWL),
    - mehrere erste Schaufeln (BL1),
    - mehrere zwischen den ersten Schaufeln (BL1) angeordnete erste Schaufelkanäle (CN1),
    - wiederum umfassend:
    - erste axiale Strömungsöffnung (IN1) für eine Durchströmung in axialer Richtung,
    - erste radiale Strömungsöffnungen (EX1) für eine Durchströmung in radialer Richtung,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ersten Schaufelkanäle (CN1) sich entlang der Radscheibe (HWL) erstrecken und sich quer zu einer ersten Durchströmungsrichtung (FD1) entlang eines gebogenen Strömungspfades durch das Laufrad (IMP) bis zu einer sich in der Umfangsrichtung (CDR) erstreckenden Zwischenwand (DVW) erstrecken,
    wobei zweite Schaufelkanäle (CN2) des Laufrades (IMP) sich in Umfangsrichtung (CDR) voneinander mittels zweiter Schaufeln (BL2) getrennt entlang der Zwischenwand (DVW) erstrecken,
    wobei die zweiten Schaufelkanäle (CN2) zweite axiale Strömungsöffnungen (IN2), für eine Durchströmung in axialer Richtung, und zweite radiale Strömungsöffnungen (EX2), für eine Durchströmung in radialer Richtung, aufweisen.
  2. Laufrad (IMP) nach Anspruch 1,
    wobei das Laufrad (IMP) eine sich in der Umfangsrichtung (CDR) erstreckende Deckscheibe (SHR) aufweist und sich die zweiten Schaufelkanäle (CN2) quer zu einer zweiten Durchströmungsrichtung (FD2) bis zu der Deckscheibe (SHR) erstrecken.
  3. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, wobei die erste axiale Strömungsöffnung (IN1) eine mittels der radialen Schaufelhöhe der ersten Schaufeln (BL1) definierte erste radiale Höhe (B11) aufweist,
    wobei die zweite axiale Strömungsöffnung (IN2) eine mittels der radialen Schaufelhöhe der zweiten Schaufeln (BL2) zweite radiale Höhe (B12) aufweist,
    wobei gilt: 0,3 < B12/B11 < 0,7.
  4. Laufrad (IMP) nach Anspruch 3,
    wobei gilt: 0,4 < B12/B11 < 0,55.
  5. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei die erste radiale Strömungsöffnung (EX1) eine mittels der axialen Schaufelhöhe der ersten Schaufeln (BL1) definierte erste axiale Austrittsweite (B21) aufweist,
    wobei die zweite radiale Strömungsöffnung (EX2) eine mittels der axialen Schaufelhöhe der zweiten Schaufeln (BL2) definierte zweite axiale Austrittsweite (B22) aufweist, wobei gilt: 0,3 < B22/B21 < 0,55.
  6. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
    wobei das Laufrad (IMP) eine erste Anzahl (S1) an ersten Schaufeln (BL1) aufweist,
    wobei das Laufrad (IMP) eine zweite Anzahl (S2) an zweiten Schaufeln (BL2) aufweist,
    wobei gilt: 0,5 < S2/S1 < 2,0.
  7. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
    wobei mindestens einige der ersten Schaufeln (BL1) oder der zweiten Schaufeln (BL2) als Splitterblades (SP1, SP2) ausgeführt sind.
  8. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
    wobei eine über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelte erste Schaufeldicke (BT1) der ersten Schaufeln (BL1) anders ausgebildet ist als eine über die Schaufelhöhe und Profilerstreckung gemittelten zweite Schaufeldicke (BT2) der zweiten Schaufeln (BL2).
  9. Laufrad (IMP) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8,
    wobei die ersten Schaufeln (BL1) zumindest zum Teil einen über die Schaufelhöhe gemittelten ersten Umlenkmetallwinkel (δ1) aufweisen,
    wobei die zweiten Schaufeln (BL2) zumindest zum Teil einen über die Schaufelhöhe gemittelten zweiten Umlenkmetallwinkel (δ2) aufweisen,
    wobei der erste Umlenkmetallwinkel (δ1) anders ausgeführt ist als der zweite Umlenkmetallwinkel (δ2).
  10. Radialturbomaschine (RTM) mit einem Laufrad (IMP) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9.
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