EP3760871A1 - Diffuser for a turbomachine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Diffusor (DFF) für eine Strömungsmaschine (CMP) mit einem Laufrad (BLD),wobei der Diffusor (DFF) sich ringförmig um eine Achse (X) entlang einer Umfangsrichtung (CDR) erstreckt,wobei der Diffusor (DFF) eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln (VNS) aufweist,wobei sich die Diffusorleitschaufeln (VNS) entlang der Schaufelhöhe (AFH) zwischen zwei Diffusorbegrenzungswänden (LDW) von einer Diffusorbegrenzungswand (LDW) an einer Gehäuseseite (CSS) zu einer Diffusorbegrenzungswand (LDW) an einer Nabenseite (HBS) erstrecken,wobei die Diffusorleitschaufeln (VNS) für jede Position der Schaufelhöhe (AFH) eine Schaufelüberdeckung (SLD) aufweisen, die definiert ist als das Verhältnis einer Profilsehnenlänge (CHD) der jeweiligen Diffusorleitschaufel (VNS) zur Umfangsteilung (CCP) der Anordnung der Diffusorleitschaufeln (VNS). Zur Verbesserung der aerodynamischen Wirkung des Diffusors wird vorgeschlagen, dass die Schaufelüberdeckung (SLD) sich zwischen der Nabenseite (HBS) und der Gehäuseseite (CSS) unterscheiden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem derartigen Diffuser (DFF) und eine Strömungsmaschine (CMP).The invention relates to a diffuser (DFF) for a turbo machine (CMP) with an impeller (BLD), the diffuser (DFF) extending in a ring around an axis (X) along a circumferential direction (CDR), the diffuser (DFF) being a Having a plurality of diffuser guide vanes (VNS), the diffuser guide vanes (VNS) extending along the vane height (AFH) between two diffuser boundary walls (LDW) from a diffuser boundary wall (LDW) on a housing side (CSS) to a diffuser boundary wall (LDW) on a hub side (HBS ), wherein the diffuser guide vanes (VNS) for each position of the vane height (AFH) have a vane cover (SLD), which is defined as the ratio of a chord length (CHD) of the respective diffuser guide vane (VNS) to the circumferential pitch (CCP) of the arrangement of the diffuser guide vanes (VNS). To improve the aerodynamic effect of the diffuser, it is proposed that the blade overlap (SLD) differ between the hub side (HBS) and the housing side (CSS). The invention also relates to an arrangement with such a diffuser (DFF) and a fluid flow machine (CMP).
Description
Die Erfindung betrifft einen Diffusor für eine Strömungsmaschine mit einem Laufrad, wobei der Diffusor sich ringförmig um eine Achse entlang einer Umfangsrichtung erstreckt, wobei der Diffusor eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln aufweist, wobei sich die Diffusorleitschaufeln entlang der Schaufelhöhe zwischen zwei Diffusorbegrenzungswänden von einer Diffusorbegrenzungswand an einer Gehäuseseite zu einer Diffusorbegrenzungswand an einer Nabenseite erstrecken, wobei die Diffusorleitschaufeln für jede Position der Schaufelhöhe eine Schaufelüberdeckung aufweisen, die definiert ist als das Verhältnis einer Profilsehnenlänge der jeweiligen Diffusorleitschaufel zur Umfangsteilung der Anordnung der Diffusorleitschaufeln. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem derartigen Diffuser und eine Strömungsmaschine mit einer solchen Anordnung.The invention relates to a diffuser for a turbomachine with an impeller, the diffuser extending in a ring around an axis along a circumferential direction, the diffuser having a plurality of diffuser guide vanes, the diffuser guide vanes extending along the vane height between two diffuser boundary walls from a diffuser boundary wall on a housing side extend to a diffuser boundary wall on a hub side, the diffuser guide vanes for each position of the vane height having a vane overlap which is defined as the ratio of a chord length of the respective diffuser guide vane to the circumferential pitch of the arrangement of the diffuser guide vanes. The invention further relates to an arrangement with such a diffuser and a turbo machine with such an arrangement.
Bei Radialverdichtern verlässt das Fluid daripps Laufrad nach radial außen und gelangt von dort in den Diffusor, welcher typischerweise ebenfalls radial von innen nach außen durchströmt wird. Diffusoren können beschaufelt oder unbeschaufelt ausgeführt sein. Bei den beschaufelten Arten wird zwischen Low-Solidity-Diffusoren [LSD] mit geringer Schaufelüberdeckung (mit Leitschaufeln, die einen verhältnismäßig großen Abstand zueinander in Umfangsrichtung im Verhältnis zu deren Radialerstreckung aufweisen) und Kanaldiffusoren - auch als aerodynamische Diffusoren [AE-Diffusor] bezeichnet - unterschieden. Aufgrund der Nachteile bzgl. des Fahrbereichs werden AE-Diffusoren sehr selten eingesetzt. LSDs bieten dagegen einen deutlich besseren also umfangreicheren Fahrbereich als AE-Diffusoren. Heutzutage sind nahezu alle beschaufelten Diffusoren LSDs.In centrifugal compressors, the fluid leaves the impeller radially outwards and from there into the diffuser, which typically also has a radial flow from the inside to the outside. Diffusers can be bladed or bladed. In the case of the bladed types, a distinction is made between low solidity diffusers [LSD] with little blade overlap (with guide vanes that have a relatively large distance from one another in the circumferential direction in relation to their radial extent) and channel diffusers - also known as aerodynamic diffusers [AE diffuser] - distinguished. Due to the disadvantages with regard to the driving range, AE diffusers are very rarely used. LSDs, on the other hand, offer a significantly better and more extensive driving range than AE diffusers. Almost all bladed diffusers today are LSDs.
LSDs werden aus den folgenden Gründen eingesetzt:
- Unterdrücken von Rotating Stall, welcher im Falle eines unbeschaufelten Ringraums ggf. auftreten könnte
- Steigerung des Wirkungsgrades der Stufe durch Aufrichten der Strömung und durch Vergleichmäßigung der Strömung über der Kanalhöhe. Dies führt zu einer Reduktion von Verlusten in den nachgeschalteten Komponenten wie Rückführstufe oder Spirale.
- Besserer Kennlinienanstieg zur Pumpgrenze.
- Suppression of rotating stall, which could possibly occur in the case of a non-bladed annulus
- Increase in the efficiency of the stage by straightening the flow and by equalizing the flow above the channel height. This leads to a reduction in losses in the downstream components such as the recirculation stage or spiral.
- Better increase in characteristic curve to surge limit.
Nachteile von LSDs sind:
- Reduzierter Fahrbereich (schmalere Kennlinie) im Vergleich zur unbeschaufelten Variante
- Höherer Lärmpegel
- Höhere Laufradanregung
- Notwendige radiale Erstreckung des Diffusors größer als für den unbeschaufelten Diffusor
- Notwendige Sammelspiralgehäusegröße nimmt mit LSD zu, da die Umfangskomponente der Geschwindigkeit (Transportgröße in der Spirale) durch den LSD reduziert wird.
- Reduced travel range (narrower characteristic) compared to the non-bladed variant
- Higher noise level
- Higher impeller excitation
- The necessary radial extension of the diffuser is greater than that for the unbladed diffuser
- Necessary collecting volute casing size increases with LSD, since the circumferential component of the speed (transport size in the volute) is reduced by the LSD.
Eine entsprechende Anordnung ist bereits aus der
Aus den
Ausgehend insbesondere von den beschriebenen Nachteilen hat es sich die Erfindung vorrangig zur Aufgabe gemacht, radialen Bauraumbedarf eines LSD's zu verringern, so dass der ansonsten vergrößerte radiale Bauraumbedarf gegenüber einem unbeschaufelten Diffusor nicht mehr so ins Gewicht fällt.Proceeding in particular from the disadvantages described, the main task of the invention is to reduce the radial space requirement of an LSD so that the otherwise The increased radial space requirement compared to a non-bladed diffuser is no longer so significant.
Zur Lösung des Problems wird ein Diffusor bzw. eine Anordnung und eine Strömungsmaschine mit einem solchen Diffusor mit den eingangs definierten Merkmalen vorgeschlagen, der die zusätzlichen Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist. Die rückbezogenen Unteransprüchen beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.To solve the problem, a diffuser or an arrangement and a flow machine with such a diffuser with the features defined at the outset is proposed, which has the additional features of the characterizing part of claim 1. The dependent claims referring back contain advantageous developments of the invention.
Begriffe, wie radial, axial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich auf die eingangs definierte Achse, um die sich der Diffusor ringförmig erstreckt. Diese Achse ist im Falle eines Turboverdichters bzw. eines Radialturboverdichters koaxial zu der Drehachse des Rotors.Terms such as radial, axial, tangential or circumferential direction relate to the axis defined at the outset, around which the diffuser extends in an annular manner. In the case of a turbo compressor or a radial turbo compressor, this axis is coaxial with the axis of rotation of the rotor.
Der Begriff Strömungsmaschine bezieht sich nach der Erfindung auf radiale Turbomaschinen, die eine Umlenkung des Prozessfluids vorsehen. Von vorrangiger Bedeutung ist hierbei die Anwendung für einen Radialturboverdichter. Insbesondere im Falle des Radialturboverdichters ist der Diffusor ein strömungsleitendes Bauteil des Stators, das sich stromabwärts des Laufradaustritts befindet. In dem Diffusor wird in der Regel die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids verzögert, so dass sich gemäß der Gesetzmäßigkeiten von Bernulli ein Druckaufbau ergibt.According to the invention, the term turbomachine relates to radial turbomachines which provide a deflection of the process fluid. The application for a radial turbo compressor is of primary importance. In the case of the radial turbo compressor in particular, the diffuser is a flow-guiding component of the stator, which is located downstream of the impeller outlet. In the diffuser, the flow rate of the process fluid is generally delayed, so that a pressure build-up results in accordance with Bernulli's principles.
Im Falle des Radialturboverdichters und eines sich im Wesentlichen radial nach außen erstreckenden Diffusors ergibt sich die Diffusor-Wirkung schon allein durch die radiale Zunahme der durchströmten Querschnittsfläche. Zusätzlich von Bedeutung ist eine Veränderung der Diffusorkanalbreite, die sich im Regelfall die axiale Erstreckung der lichten Weite des Diffusors ergibt. Grundsätzlich kann sich der Diffusor auch abweichend von der Radialrichtung erstrecken. Die meisten Diffusoren erstrecken sich aber weitestgehend radial. Die Diffusorkanalbreite wird begrenzt durch an beiden Seiten vorgesehenen Diffusorbegrenzungswänden. Im Falle eines sich rein radial erstreckenden Diffusors ohne axiale Aufweitung laufen die Diffusorbegrenzungswände ebenfalls rein radial. Aufgrund der axialen Ansaugung eines Radialturboverdichters und der radialen Ausgabe des Prozessfluids aus dem Laufrad findet in dem Laufrad eine Umlenkung von axial nach radial statt. Das Laufrad ist hierbei in der Regel mit einer Radscheibe aufgebaut, die mit einer Welle-Naben-Verbindung das Laufrad mit der Welle verbindet. Diejenige Seite, die nicht die axiale Ansaugung des Laufrades aufweist, wird hierbei als die Nabenseite bezeichnet. Die andere gegenüberliegende Axialseite wird als Gehäuseseite bezeichnet. Bei Laurädern, die gehäuseseitig eine Deckscheibe aufweisen, wird diese Gehäuseseite auch häufig als die Deckscheibenseite bezeichnet. Unter einer Schaufelhöhe versteht die Erfindung die Erstreckung der Schaufel senkrecht zur Hauptströmungsrichtung. Folgt man einem repräsentativen Strömungsfaden durch die Anordnung der Erfindung, beispielsweise durch den Diffusor, so erstreckt sich dieser Strömungsfaden im Wesentlichen senkrecht in Richtung der Schaufelhöhe. Erstreckt sich dieser Strömungsfaden in etwa mittig durch die Anordnung wird er in etwa bei 50% der Schaufelhöhe liegen.In the case of the radial turbo compressor and a diffuser that extends essentially radially outward, the diffuser effect results from the radial increase in the cross-sectional area through which the flow passes. A change in the width of the diffuser channel is also important, as this generally results in the axial extent of the clear width of the diffuser. In principle, the diffuser can also extend in a manner deviating from the radial direction. Most diffusers, however, extend largely radially. The diffuser channel width is limited by the diffuser boundary walls provided on both sides. In the case of one purely radially extending diffuser without axial expansion, the diffuser boundary walls also run purely radially. Due to the axial suction of a radial turbo compressor and the radial output of the process fluid from the impeller, a deflection from axial to radial takes place in the impeller. The impeller is usually constructed with a wheel disc that connects the impeller to the shaft with a shaft-hub connection. The side that does not have the axial suction of the impeller is referred to here as the hub side. The other opposite axial side is referred to as the housing side. In the case of Laur wheels which have a cover disk on the housing side, this housing side is also often referred to as the cover disk side. The invention understands a blade height as the extension of the blade perpendicular to the main flow direction. If one follows a representative flow thread through the arrangement of the invention, for example through the diffuser, then this flow thread extends essentially perpendicularly in the direction of the blade height. If this flow thread extends approximately centrally through the arrangement, it will be approximately 50% of the blade height.
Das erfindungsgemäße Merkmal, dass sich die Schaufelüberdeckung zwischen den Nabenseite und der Geäußerte unterscheiden zielt darauf ab, dass die jeweils aerodynamischen Anforderungen auf der Nabenseite und auf der Gehäuseseite individuell angepasst sind bzw. sein können. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht hierzu vor, dass die Schaufelüberdeckung auf der Nabenseite zwischen 0,5 und 0,8 auf der Gehäuseseite zwischen 0,7 und 1,0 beträgt. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Eintrittskantendurchmesser an der Gehäuseseite und der Nabenseite unterschiedlich sind.The feature according to the invention that the blade overlap between the hub side and the outer one is different is aimed at ensuring that the respective aerodynamic requirements on the hub side and on the housing side are or can be individually adapted. To this end, an advantageous development of the invention provides that the blade overlap on the hub side is between 0.5 and 0.8 on the housing side between 0.7 and 1.0. Another advantageous development of the invention provides that the leading edge diameter on the housing side and the hub side are different.
Hierbei weisen die Diffusorleitschaufeln für jede Position der Schaufelhöhe eine Schaufelüberdeckung auf, die definiert ist als das Verhältnis einer Profilsehnenlänge der jeweiligen Diffusorleitschaufel zur Umfangsteilung der Anordnung der Diffusorleitschaufeln. Unter der Profilsehne versteht man die gedachte Verbindungslinie zwischen der Eintrittskante des Profils und der Austrittskante bzw. Hinterkante. Unter der Umfangsteilung - auch häufig einfach als Teilung bezeichnet - versteht man den Abstand in Umfangsrichtung zwischen den Vorderkanten der Diffusorleitschaufeln.Here, the diffuser guide vanes have a vane overlap for each position of the vane height, which is defined as the ratio of a profile chord length of the respective diffuser guide vane to the circumferential pitch of the arrangement of the Diffuser vanes. The profile chord is the imaginary connecting line between the leading edge of the profile and the trailing edge or trailing edge. The circumferential division - also often referred to simply as division - is understood to mean the distance in the circumferential direction between the leading edges of the diffuser guide vanes.
Weiterhin schlägt die Erfindung als vorteilhafte Weiterbildung vor, dass die Diffusorleitschaufeln ein gewölbtes und profiliertes Profil aufweisen. Profiliert bedeutet hierbei, dass das Schaufelprofil keine konstante Dicke über die Erstreckung in Hauptströmungsrichtung aufweist, sondern aerodynamisch hinsichtlich der Profildickenverteilung angepasst ist.Furthermore, the invention proposes as an advantageous development that the diffuser guide vanes have a curved and profiled profile. Profiled here means that the blade profile does not have a constant thickness over the extent in the main flow direction, but is aerodynamically adapted with regard to the profile thickness distribution.
In der Regel ist die Schaufel bzw. das Schaufelprofil auf der Druckseite über einen weiteren Erstreckungsbereich konkaver gestaltet als auf der Saugseite - dementsprechend ist das Schaufelprofil auf der Saugseite über einen weiteren Erstreckungsbereich konvex gestaltet.As a rule, the blade or the blade profile on the pressure side is designed to be more concave over a wider area than on the suction side - accordingly, the blade profile on the suction side is designed to be convex over a further area of extent.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für jede Position entlang der Profilmittellinie des Schaufelprofils der Diffusorleitschaufeln ein Anstellwinkel definiert ist als der mathematisch positive Winkel von der Umfangstangente auf die Tangente an der Profilmittellinie. Hierbei ist jeweils ein Eintrittskantenwinkel ein Anstellwinkel an der Eintrittskante und ein Austrittskantenwinkel ein Anstellwinkel an der Austrittskante der Diffusorleitschaufel. Für die Differenz zwischen Eintrittskantenwinkel und Austrittskantenwinkel gemittelt über die Schaufelhöhe gilt: -2 > Eintrittskantenwinkel - Austrittskantenwinkel > 15°. Ein negativer Wert bedeutet hierbei, dass die Strömung tangentialer austritt als diese eintritt.Another advantageous development of the invention provides that for each position along the profile center line of the blade profile of the diffuser guide vanes, an angle of attack is defined as the mathematically positive angle from the circumferential tangent to the tangent at the profile center line. Here, a leading edge angle is an angle of attack at the leading edge and an exit edge angle is an angle of attack at the trailing edge of the diffuser guide vane. The following applies to the difference between the leading edge angle and the trailing edge angle averaged over the blade height: -2> leading edge angle - trailing edge angle> 15 °. A negative value means that the flow exits more tangentially than it enters.
Unter einer Profilmittellinie versteht die Erfindung eine gedachte Linie, die sich durch die Mitte eines Schaufelprofiles erstreckt. Hierbei wird das Schaufelprofil als eine zweidimensionale Form aufgefasst. Die Profilmittellinie kann in dieser zweidimensionalen Form konstruiert werden, indem beispielsweise die Mittelpunkte aller eingeschriebenen Kreise mittels einer Linie - der Profilmittellinie - verbunden werden.The invention understands a profile center line to be an imaginary line that extends through the center of a blade profile. Here, the blade profile is understood as a two-dimensional shape. The profile centerline can be constructed in this two-dimensional form by, for example the centers of all inscribed circles are connected by a line - the profile center line.
Besonders bevorzugt ist der Eintrittskantenwinkel über die Schaufelhöhe variierend ausgebildet. Hierbei kann der Eintrittskantenwinkel an der Gehäuseseite zwischen 10° und 20° betragen. An der Nabenseite kann der Eintrittskantenwinkel zwischen 20° und 35° betragen. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn der Austrittskantenwinkel an der Nabenseite und an der Gehäuseseite sich um höchstens 2° unterscheiden. Dementsprechend tritt das Prozessfluid aus dem Diffusor weitestgehend homogenisiert hinsichtlich der Strömungsverteilung und Geschwindigkeiten aus.It is particularly preferable for the leading edge angle to vary over the blade height. The leading edge angle on the housing side can be between 10 ° and 20 °. The leading edge angle on the hub side can be between 20 ° and 35 °. It is particularly preferred here if the exit edge angle on the hub side and on the housing side differ by at most 2 °. Accordingly, the process fluid emerges from the diffuser largely homogenized in terms of flow distribution and speeds.
Der Diffusor wird axial von Diffusorbegrenzungswänden definiert. Hierbei ist der Begriff "Diffusorbegrenzungswände" nicht derart zu verstehen, dass die Diffusorbegrenzungswände immer eine axiale Flächennormale aufweisen. Vielmehr soll dieser Begriff bedeuten, dass die Diffusorbegrenzungswände jedenfalls eine Radialerstreckung aufweisen und - auch wenn sie einen gegenüber der Radialen oder Axialen schrägem Verlauf aufweisen - den Diffusor in Axialrichtung begrenzen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich in radialer Richtung der Axialabstand zwischen Diffusorbegrenzungswänden aufweitet.The diffuser is defined axially by diffuser boundary walls. The term “diffuser boundary walls” is not to be understood in such a way that the diffuser boundary walls always have an axial surface normal. Rather, this term is intended to mean that the diffuser boundary walls in any case have a radial extent and - even if they have an oblique course with respect to the radial or axial direction - limit the diffuser in the axial direction. Another advantageous development of the invention provides that the axial distance between diffuser boundary walls widens in the radial direction.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Merkmals sieht vor, dass die Diffusorbegrenzungswand auf der Nabenseite sich weniger schräg zur Radialrichtung erstreckt als die Diffusorbegrenzungswand auf der Gehäuseseite, derart, dass mindestens 80% der axialen Aufweitung sich aus der Schrägstellung der Diffusorbegrenzungswand auf der Gehäuseseite ergibt.An advantageous further development of this feature provides that the diffuser boundary wall on the hub side extends less obliquely to the radial direction than the diffuser boundary wall on the housing side, such that at least 80% of the axial expansion results from the inclination of the diffuser boundary wall on the housing side.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Diffusor stromaufwärts der Diffusorleitschaufeln Rippenleitschaufeln aufweist, die sich ausgehend von der Gehäuseseite entlang 25% - 50% der Diffusorkanalbreite in der Richtung der Nabenseite erstrecken. Diese Rippenleitschaufeln tragen dem Umstand zusätzlich Rechnung, dass das aus dem Laufrad austretende Prozessfluid auf der Gehäuseseite eine andere Strömungsverteilung und Geschwindigkeitsverteilung hat als auf der Nabenseite. Zum Ausgleich dieser Differenz sind die Rippenleitschaufeln vor den eigentlichen Diffusorleitschaufeln vorgesehen, so dass diese Unterschiede besser ausgeglichen werden und hinter dem Austritt des Diffusors eine möglichst homogene Abströmung erfolgt. Für die Rippenleitschaufeln ist ein Rippeneintrittswinkel REA definiert zu dem Eintrittswinkel der Diffusorleitschaufeln und beträgt bevorzugt zwischen 14° und 22°. Bei einer analogen Definition des Rippenaustrittswinkels zu dem Austrittswinkel der Diffusorleitschaufeln sieht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung vor, dass gemittelt über die Schaufelhöhe die Differenz zwischen Rippeneintrittswinkel und Rippenaustrittswinkel zwischen -4° und +10° als Metallwinkel ausgelegt ist.Another advantageous development of the invention provides that the diffuser has ribbed guide vanes upstream of the diffuser guide vanes which, starting from the housing side, extend along 25% -50% of the diffuser channel width in the Extend towards the hub side. These ribbed guide vanes also take into account the fact that the process fluid emerging from the impeller has a different flow distribution and speed distribution on the housing side than on the hub side. To compensate for this difference, the ribbed guide vanes are provided in front of the actual diffuser guide vanes, so that these differences are better compensated and the most homogeneous outflow possible takes place behind the outlet of the diffuser. For the ribbed guide vanes, a rib entry angle REA is defined to the entry angle of the diffuser guide vanes and is preferably between 14 ° and 22 °. With a definition of the rib exit angle analogous to the exit angle of the diffuser guide vanes, a further advantageous development provides that the difference between the rib entrance angle and the rib exit angle between -4 ° and + 10 °, averaged over the vane height, is designed as a metal angle.
Sämtliche Winkelangaben beziehen sich hierbei stets auf die gegenständlichen Winkel an den tatsächlichen geometrischen Formen - kurz: Metallwinkel.All angle specifications here always relate to the objective angles on the actual geometric shapes - in short: metal angles.
Eine negative Differenz zwischen dem Eintrittswinkel und dem Austrittswinkel bzw. dem Rippeneintrittswinkel und dem Rippenaustrittswinkel zeigt an, dass die Schaufel tangentialer ausläuft als der Eintritt gestaltet ist. Ein Strömungsfluid, dass einer derartigen Schaufelgestaltung zumindest weitestgehend oder vollkommen folgen würde, hat bei einer derartigen negativen Differenz eine tangentialere Strömungsausrichtung nach Durchströmung einer derartigen Schaufelanordnung.A negative difference between the entry angle and the exit angle or the rib entry angle and the rib exit angle indicates that the blade tapers out more tangentially than the inlet is designed. A flow fluid that would at least largely or completely follow such a blade design has a more tangential flow orientation after flowing through such a blade arrangement with such a negative difference.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung mit einem Diffusor der bereits definierten Ausbildung, wobei die Anordnung ein stromaufwärts des Diffusors angeordnetes Laufrad aufweist und ein geringerer Abstand zwischen den Rotoraustrittskanten des Laufrads bzw. der Laufradschaufeln und Eintrittskanten der Diffusorleitschaufeln auf der Gehäuseseite als auch auf der Nabenseite vorgesehen ist. Besonders bevorzugt gilt außerdem für den Abstand, dass die Rotoraustrittskanten an einem mittleren Rotoraustrittskantendurchmesser angeordnet sind und für das Verhältnis RDT des Eintrittskantendurchmessers des Diffusors zum mittleren Rotoraustrittskantendurchmesser gilt:
- Eintrittskanten (LEE) Nabenseite (HBS):
1,15 < RDT < 1,3, - Eintrittskanten (LEE) Gehäuseseite (SHR):
1,05 < RDT < 1,15,
- Leading edge (LEE) hub side (HBS):
1.15 <RDT <1.3, - Leading edge (LEE) housing side (SHR):
1.05 <RDT <1.15,
Grundsätzlich ist außerdem ein Verhältnis bzw. ein Abstand zwischen Laufrad und Diffusor vorgesehen, in der Weise, dass Rotoraustrittskanten der Laufradschaufeln des Laufrads an einem mittleren Rotoraustrittskantendurchmesser (TID) angeordnet sind und für das Verhältnis (RDT) Eintrittskantendurchmesser (DLE) zu mittlerem Rotoraustrittskantendurchmesser (TID) gilt:
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine mit einer Anordnung der vorab definierten Art.The invention also relates to a turbomachine with an arrangement of the type defined above.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand verschiedener Figuren zum besseren Verständnis unter Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele illustriert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine mit einem erfindungsgemäßen Diffusor bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung,
- Figur 2
- einen Schnitt II-II entlang einer Hauptströmungsrichtung gemäß
Figur 1 , - Figur 3
- das Detail III aus
Figur 2 , - Figur 4
- eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Strömungsmaschine beschränkt auf das Detail des Diffusors,
- Figur 5
- den Schnitt V-V aus
Figur 4 , - Figur 6
- eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Diffusor mit aufgeweiteter Diffusorkanalbreite,
- Figur 7
- wie Figur 6 aber mit Rippenleitschaufeln.
- Figure 1
- a schematic longitudinal section along an axis of rotation through a turbomachine according to the invention with a diffuser according to the invention or an arrangement according to the invention,
- Figure 2
- a section II-II along a main flow direction according to
Figure 1 , - Figure 3
- the detail III
Figure 2 , - Figure 4
- a schematic representation of a longitudinal section through a turbomachine limited to the detail of the diffuser,
- Figure 5
- the section VV
Figure 4 , - Figure 6
- a schematic representation of a longitudinal section through a diffuser with an expanded diffuser channel width,
- Figure 7
- like FIG. 6 but with ribbed guide vanes.
In den Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen funktionsgleiche Bauteile.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical components.
Der Diffusor DFF weist zwei axial begrenzende Diffusorbegrenzungswände LDW auf, zwischen denen sich entlang einer Schaufelhöhe AFH die Diffusorleitschaufeln VNS von einer Gehäuseseite CSS zu einer Nabenseite HBS hin erstrecken.The diffuser DFF has two axially delimiting diffuser delimiting walls LDW, between which there are along a blade height AFH, the diffuser guide vanes VNS extend from a housing side CSS to a hub side HBS.
Die Diffusorleitschaufeln VNS weisen jeweils eine Austrittskante TRE auf, auf einem Austrittskantendurchmesser TRD. Die Diffusorleitschaufeln VNS erstrecken sich in Richtung der Schaufelhöhe AFH in der Illustration der
Für jede Position entlang der Profilmittellinie SCL des Schaufelprofils der Diffusorleitschaufeln VNS ist ein Anstellwinkel PMA definiert als der mathematisch positive Winkel von der Umfangstangente CDT auf die Tangente PMD. Hierbei ist ein Eintrittskantenwinkel LEA ein Anstellwinkel PMA an der Eintrittskante LEE. Ein Austrittskantenwinkel EXA ist ein Anstellwinkel PMA an einer Austrittskante TRE der Diffusorleitschaufeln VNS. Für eine Differenz zwischen Eintrittskantenwinkel LEA und Austrittskantenwinkel EXA gemittelt über die Schaufelhöhe AFH gilt:
Der Eintrittskantenwinkel LEA variiert über die Schaufelhöhe AFH. Hierbei beträgt der Eintrittskantenwinkel LEA an der Gehäuseseite CSS zwischen 10° und 20°. An der Nabenseite HBS beträgt der Eintrittskantenwinkel LEA zwischen 20° und 35°. Der Austrittskantenwinkel EXA ist über die gesamte Schaufelhöhe AFH weitestgehend konstant und unterscheidet sich zwischen der Nabenseite HBS und der Gehäuseseite CSS um höchstens 2°.The leading edge angle LEA varies over the blade height AFH. The leading edge angle LEA on the CSS side is between 10 ° and 20 °. On the hub side HBS, the leading edge angle LEA is between 20 ° and 35 °. The trailing edge angle EXA is largely constant over the entire blade height AFH and differs between the hub side HBS and the housing side CSS by a maximum of 2 °.
Die
14° > REA > 22°.The
14 °>REA> 22 °.
Ein Rippenaustrittswinkel RXA ist ein Rippenanstellwinkel RMA an einer Rippenaustrittskante RRE der Rippenleitschaufeln RPV. Für die Differenz RFA zwischen Rippeneintrittswinkel REA und Rippenaustrittswinkel RXA gemittelt über die Schaufelhöhe AFH gilt: -4° > RNA -RXA > 10°.A rib exit angle RXA is a rib angle of attack RMA at a rib exit edge RRE of the rib guide vanes RPV. For the difference RFA between the rib entry angle REA and the rib exit angle RXA averaged over the blade height AFH, the following applies: -4 °> RNA -RXA> 10 °.
Wie dies auch in den
Figur 6 zeigt eine Aufweitung des Axialabstandes zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden LDW mit zunehmender radialer Erstreckung. Hierbei bedeuten ein Eintrittskantenaxialabstand ALE der mittlere Axialabstand AXD zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden LDW im Bereich der Eintrittskante LEE der Diffusorleitschaufeln VNS und ein Austrittskantenaxialabstand ATE der mittlere Axialabstand AXD zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden LDW im Bereich der Austrittskante TRE der Diffusorleitschaufeln VNS. Vorteilhaft weitet sich in radialer Richtung der Axialabstand AXD zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden LDW axial derart auf, so dass der Eintrittskantenaxialabstand ALE kleiner ist als der Austrittskantenaxialabstand ATE.FIG. 6 shows an expansion of the axial distance between the axial diffuser boundary walls LDW with increasing radial extent. Here, a leading edge axial distance ALE means the mean axial distance AXD between axial diffuser delimiting walls LDW in the area of the leading edge LEE of the diffuser guide vanes VNS and an exit edge axial distance ATE means the mean axial distance AXD between axial diffuser delimiting walls LDW in the region of the trailing edge TRE of the diffuser guide vanes VNS. Advantageously, the axial distance AXD between axial diffuser boundary walls LDW expands axially in such a way that the leading edge axial distance ALE is smaller than the trailing edge axial distance ATE.
Hierbei sind die Diffusorbegrenzungswände LDW derart ausgebildet, dass auf der Nabenseite HBS die Diffusorbegrenzungswand LDW weniger schräg zur Radialrichtung sich erstreckt als die Diffusorbegrenzungswand LDW auf der Gehäuseseite SHR. Dadurch ergibt sich eine mindestens 80% axiale Ausweitung ausschließlich aus der Schrägstellung der Diffusorbegrenzungswand LDW auf der Gehäuseseite CSS.Here, the diffuser boundary walls LDW are designed in such a way that the diffuser boundary wall LDW extends less obliquely to the radial direction on the hub side HBS than the diffuser boundary wall LDW on the housing side SHR. This results in an axial expansion of at least 80% exclusively from the inclination of the diffuser boundary wall LDW on the CSS side of the housing.
Figur 7 zeigt die Kombination der axialen Aufweitung der Diffusorkanalbreite bzw. der schräg gestellten gehäuseseitigen Diffusorbegrenzungswand LDW mit der Anordnung der Rippenleitschaufeln RPV stromaufwärts der Diffusorleitschaufeln VNS.FIG. 7 shows the combination of the axial widening of the diffuser channel width or the inclined housing-side diffuser boundary wall LDW with the arrangement of the ribbed guide vanes RPV upstream of the diffuser guide vanes VNS.
Claims (14)
wobei der Diffusor (DFF) sich ringförmig um eine Achse (X) entlang einer Umfangsrichtung (CDR) erstreckt,
wobei der Diffusor (DFF) eine Mehrzahl von Diffusorleitschaufeln (VNS) aufweist,
wobei sich die Diffusorleitschaufeln (VNS) entlang der Schaufelhöhe (AFH) zwischen zwei Diffusorbegrenzungswänden (LDW) von einer Diffusorbegrenzungswand (LDW) an einer Gehäuseseite (CSS) zu einer Diffusorbegrenzungswand (LDW) an einer Nabenseite (HBS) erstrecken,
wobei die Diffusorleitschaufeln (VNS) für jede Position der Schaufelhöhe (AFH) eine Schaufelüberdeckung (SLD) aufweisen, die definiert ist als das Verhältnis einer Profilsehnenlänge (CHD, CHD') der jeweiligen Diffusorleitschaufel (VNS) zur Umfangsteilung (CCP) der Anordnung der Diffusorleitschaufeln (VNS),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaufelüberdeckung (SLD) sich zwischen der Nabenseite (HBS) und der Gehäuseseite (CSS) unterscheiden.Diffuser (DFF) for a fluid flow machine (CMP) with an impeller (IMP),
wherein the diffuser (DFF) extends annularly around an axis (X) along a circumferential direction (CDR),
wherein the diffuser (DFF) has a plurality of diffuser guide vanes (VNS),
wherein the diffuser guide vanes (VNS) extend along the vane height (AFH) between two diffuser boundary walls (LDW) from a diffuser boundary wall (LDW) on a housing side (CSS) to a diffuser boundary wall (LDW) on a hub side (HBS),
wherein the diffuser guide vanes (VNS) for each position of the vane height (AFH) have a vane cover (SLD) which is defined as the ratio of a profile chord length (CHD, CHD ') of the respective diffuser guide vane (VNS) to the circumferential pitch (CCP) of the arrangement of the diffuser guide vanes (VNS),
characterized in that
the blade overlap (SLD) differ between the hub side (HBS) and the housing side (CSS).
wobei, wobei für jede Position entlang der Profilmittellinie des Schaufelprofils der Diffusorleitschaufeln (VNS) ein Anstellwinkel (PMA) definiert ist als der mathematisch positive Winkel von der Umfangstangente (CDT) auf die Tangente (PMT) an der Profilmittellinie (SCL),
wobei ein Eintrittskantenwinkel (LEA) ein Anstellwinkel (PMA) an der Eintrittskante (LEE) ist,
wobei ein Austrittskantenwinkel (EXA) ein Anstellwinkel (PMA) an einer Austrittskante (TRE) der Diffusorleitschaufeln (VNS) ist,
wobei für die Differenz (DFA) zwischen Eintrittskantenwinkel (LEA) und Austrittskantenwinkel (EXA) gemittelt über die Schaufelhöhe (AFH) gilt: -2° < LEA-EXA < 15°.Diffuser (DFF) according to at least one of claims 1 to 4,
wherein, for each position along the profile center line of the blade profile of the diffuser guide vanes (VNS), an angle of attack (PMA) is defined as the mathematically positive angle from the circumferential tangent (CDT) to the tangent (PMT) on the profile center line (SCL),
where a leading edge angle (LEA) is an angle of attack (PMA) at the leading edge (LEE),
wherein a trailing edge angle (EXA) is an angle of attack (PMA) at a trailing edge (TRE) of the diffuser guide vanes (VNS),
where for the difference (DFA) between the leading edge angle (LEA) and the trailing edge angle (EXA) averaged over the blade height (AFH) the following applies: -2 ° <LEA-EXA <15 °.
wobei der Eintrittskantenwinkel (LEA) an der Gehäuseseite (CSS) zwischen 10° und 20° beträgt,
wobei der Eintrittskantenwinkel (LEA) an der Nabenseite (HBS) zwischen 20° und 35° beträgt.Diffuser (DFF) according to claim 8,
where the leading edge angle (LEA) on the housing side (CSS) is between 10 ° and 20 °,
The leading edge angle (LEA) on the hub side (HBS) is between 20 ° and 35 °.
wobei ein Eintrittskantenaxialabstand (ALE) der mittlere Axialabstand (AXD) zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden (LDW) im Bereich der Eintrittskante (LEE) der Diffusorleitschaufeln (VNS) ist,
wobei ein Austrittskantenaxialabstand (ATE) der mittlere Axialabstand (AXD) zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden (LDW) im Bereich der Austrittskante (TRE) der Diffusorleitschaufeln (VNS) ist,
kleiner ist als der Austrittskantenaxialabstand (ATE), wobei sich in radialer Richtung der Axialabstand (AXD) zwischen axialen Diffusorbegrenzungswänden (LDW) axial aufweitet, so dass der Eintrittskantenaxialabstand (ALE) kleiner ist als der Austrittskantenaxialabstand (ATE).Diffuser (DFF) according to at least one of the preceding claims 1 - 8,
where a leading edge axial distance (ALE) is the mean axial distance (AXD) between axial diffuser boundary walls (LDW) in the area of the leading edge (LEE) of the diffuser guide vanes (VNS),
where a trailing edge axial distance (ATE) is the mean axial distance (AXD) between axial diffuser boundary walls (LDW) in the area of the trailing edge (TRE) of the diffuser guide vanes (VNS),
is smaller than the trailing edge axial distance (ATE), wherein the axial distance (AXD) between axial diffuser boundary walls (LDW) widens axially in the radial direction, so that the leading edge axial distance (ALE) is smaller than the trailing edge axial distance (ATE).
wobei die Diffusorbegrenzungswand (LDW) auf der Nabenseite (HBS) sich weniger schräg zur Radialrichtung erstreckt als die Diffusorbegrenzungswand (LDW) auf der Gehäuseseite (SHR), derart, dass mindestens 80% der axialen Aufweitung sich aus der Schrägstellung der Diffusorbegrenzungswand (LDW) auf der Gehäuseseite (SHR) ergibt.Diffuser (DFF) according to claim 9,
wherein the diffuser boundary wall (LDW) on the hub side (HBS) extends less obliquely to the radial direction than the diffuser boundary wall (LDW) on the housing side (SHR), in such a way that at least 80% of the axial expansion results from the inclination of the diffuser boundary wall (LDW) the housing side (SHR) results.
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