EP4170182A1 - Rotor blade for a radial turbocompressor - Google Patents
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- EP4170182A1 EP4170182A1 EP21204241.0A EP21204241A EP4170182A1 EP 4170182 A1 EP4170182 A1 EP 4170182A1 EP 21204241 A EP21204241 A EP 21204241A EP 4170182 A1 EP4170182 A1 EP 4170182A1
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- impeller
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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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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
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Definitions
- the invention relates to an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip which is opposite an inner wall of the housing during operation.
- the invention also relates to a method for producing an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip which is opposite an inner wall of the housing during operation.
- Flow machines such as turbo compressors, in particular centrifugal compressors, include, among other things, a part that can rotate about an axis of rotation and a static part that is arranged around the rotatable part.
- a flow fluid flows into the turbomachine and is deflected there by so-called impellers. The pressure and the temperature of the flow fluid are thereby increased.
- the impellers typically include impeller blades.
- the impellers are the core components of a turbo compressor. Depending on the application of the compressor, different types of impellers are selected according to the requirements to be met.
- Semi-open impellers are typically selected for applications that result in high peripheral speeds at the impeller OD. These are often applications in the area of geared compressors, but also in the area of single-shaft centrifugal compressors. Semi-open centrifugal impellers are operated with a small gap to the static part, which has a direct impact on the efficiency of the compressor.
- the gap between the rotatable part and the static part has a major impact on the efficiency.
- the gap between the impeller and a contour ring which is part of the static part and can also be called the stator, must be as small as possible in order to achieve the best possible efficiency.
- an adequate gap must ensure safe operation and minimize the risk of rubbing.
- the general conditions of the machine such as centrifugal force expansion, thermal expansion, vibrations, etc. must be taken into account when designing the gap.
- the object of the invention is to specify an impeller blade for a centrifugal compressor which exhibits improved flow guidance during operation.
- an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor having an impeller blade tip which, during operation, is opposite an inner wall of the housing, the impeller blade tip being tapered.
- a further object of the invention is to specify a method for producing an impeller blade which exhibits improved flow guidance during operation.
- the object directed towards the method is achieved by a method for producing an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip, which opposes an inner wall of the housing during operation, with the impeller blade tip being designed to be tapered.
- the invention thus follows the path of applying an additional contour, namely a taper, adapted to the thermodynamic conditions, to the impeller blade tip of the impeller blade.
- the impeller blade has a leading edge and a trailing edge, with the impeller blade tip being continuously tapered from the leading edge to the trailing edge.
- the impeller blade is used on an impeller, which in turn is used in a turbo compressor, with a flow fluid flowing through the turbo compressor.
- the flow fluid first hits the leading edge of the impeller blade and is deflected from there as a result of the profiling of the impeller blade in such a way that the flow fluid leaves the area of the impeller at the trailing edge.
- the tapered impeller blade tip is now formed along the entire length of the impeller blade, from the leading edge to the trailing edge.
- the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall, the impeller blade tip having the taper both on the pressure side wall and on the suction side wall.
- the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall, the impeller blade tip being tapered only at the pressure sidewall.
- the narrowing is not implemented on both sides, namely both on the suction side and on the pressure side, but only on the pressure side wall.
- the kink which leads to a narrowing of the impeller blade tip, is therefore only formed on the pressure side.
- the opposite suction side does not show any kink in the area of the impeller blade tip. Viewed in cross section, the suction side would accordingly be straight.
- the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall. wherein the impeller blade tip is tapered only on the suction sidewall.
- the taper is not performed on both sides, namely both the suction side as well as on the pressure side, but only on the suction side wall.
- the kink that leads to a narrowing of the impeller blade tip is therefore only formed on the suction side.
- the opposite pressure side does not show any kink in the area of the impeller blade tip. Viewed in cross section, the pressure side would accordingly be straight.
- the impeller blade has a central region between the leading edge and the trailing edge, with the impeller blade tip being tapered in the region of the leading edge only on the suction side wall, with the impeller blade tip having the taper in the central region both on the pressure side wall and on the suction side wall , whereby in the area of the trailing edge the impeller blade tip is tapered only on the pressure side wall.
- the taper along the impeller blade tip from the leading edge to the trailing edge in such a way that the taper changes from the leading edge to the trailing edge, with the taper occurring on both sides in the middle.
- the taper changes sides, first from the suction side wall to the other side, up to the pressure side wall.
- the visible kink that leads to the taper can therefore only be seen on the suction side at the leading edge, whereas the kink at the trailing edge can only be seen on the pressure side.
- the kink can be seen on both sides, both on the pressure side and on the suction side.
- the impeller blade has a central region between the leading edge and the trailing edge, with the impeller blade tip being tapered only on the pressure side wall in the region of the leading edge, with in the middle area the impeller blade tip has the taper both on the pressure side wall and on the suction side wall, wherein in the area of the trailing edge the impeller blade tip is tapered only on the suction side wall.
- the figure 1 shows a known radial flow machine in a (simplified) sectional view.
- the turbomachine shown is a compressor, in particular a centrifugal compressor 1.
- the turbomachine includes, among other things, a radial impeller 2 which is mounted such that it can rotate about an axis of rotation 3 .
- the impeller 2 has an axial inflow 4 and a radial outflow 5 .
- the impeller 2 comprises a hub 6 and impeller blades 7 protruding radially from the hub 6. Flow channels through which a flow fluid can flow are formed between the impeller blades 7. Furthermore, the hub 6 is connected to a shaft of the centrifugal compressor 1 that is not shown in the figure.
- the impeller 2 has a wheel disc 8 which is formed in one piece with the hub 6 and connects the impeller blades 7 to one another.
- the impeller 2 is what is known as a semi-open impeller, ie an impeller without a cover disk.
- Alternative embodiments are also known in which the impeller 2 is a so-called closed impeller, ie an impeller with a cover disk.
- the centrifugal compressor 1 includes a housing 9 in which the impeller 2 is placed.
- a part of the housing 9 is designed as a spiral housing. That is, the housing 9 has a spiral housing part 10 with a spiral cavity 11 .
- the compressor has an annular diffuser 12 which is axially symmetrical with respect to the axis of rotation 3 is designed as a hollow chamber or as a channel in the housing 9 .
- the diffuser 12 is arranged around a circumference of the impeller 2 and is designed as a radial diffuser.
- the diffuser 12 opens into the spiral housing part 10 or into its cavity 11.
- an outlet diameter 13 of the impeller 2 is indicated in the form of a double arrow.
- the diffuser 12 has a plurality of diffuser vanes 14 . That is, diffuser 12 is a vaned diffuser. In the present exemplary embodiment, the diffuser 12 has six diffuser vanes 14, of which figure 1 only two are visible. In principle, however, the diffuser 12 could also have a different number of diffuser vanes 14 .
- the compressor 1 is used for compressing a flowing fluid such as air.
- a flowing fluid such as air.
- the flow fluid flows axially through the axial inflow 4 into the impeller 2 or into the flow channels formed by the impeller blades 7 .
- the flow fluid is set in rotation by the impeller 2 and leaves the impeller 2 radially outwards through the radial outflow 5.
- the diffuser 12 converts part of the kinetic energy of the fluid into potential energy in the form of pressure and guides the fluid into the cavity 11 of the spiral housing part 10.
- the impeller blade 7 has an impeller blade tip 15 which is opposite an inner wall 16 of the housing. There is a gap between the impeller blade tip 15 and the inner wall 16 of the housing, which gap should be as small as possible when the centrifugal compressor 1 is in operation.
- the flow fluid flows in the axial inflow 4 against the impeller 2 and in particular the impeller blades 7 and meets there on leading edges 17 of the impeller blades, with the flow fluid flowing along the impeller blade 7 and leaving the impeller 2 at a trailing edge 18 of the impeller blade 7 and from there into the diffuser 12 flows.
- the figure 2 shows the impeller 2 with the individual impeller blades 7. For reasons of clarity, only two impeller blades 7 have been provided with a reference number. The impeller blades 7 are identical to each other.
- Each impeller blade 7 has a leading edge 17 and a trailing edge 18 .
- the leading edge 17 and the trailing edge 18 are only provided with a reference number for one impeller blade.
- the impeller 2 rotates in the perspective view of FIG figure 2 in clockwise direction.
- the impeller blade 7 has a suction side 19 with a suction side wall 20 and a pressure side 21 with a pressure side wall 22 .
- suction side 19 and the suction side wall 20 as well as the pressure side 21 and the pressure side wall 22 are provided with a reference number on one impeller blade 7 .
- the flow medium flows along the suction side wall 20 and the pressure side wall 22.
- Each impeller blade 7 has in the figure 2 an impeller blade tip 15 which faces the casing inner wall 16 .
- the impeller blade tip 15 is only provided with a reference number on one impeller blade 7 .
- the figure 3 shows a section of an impeller blade 7 in a perspective view. In this case, the viewing direction is directed towards the leading edge 17 .
- the impeller blade tip 15 is tapered. How the narrowing should ideally be designed depends on the flow conditions occurring during operation. The design of the impeller blade tip 15 depends on the result of a flow simulation, which can look different for different flow conditions.
- the impeller blade 7 has a suction side 19 with a suction side wall 20 and a pressure side 21 with a pressure side wall 22, the impeller blade tip 15 being tapered only on the suction side wall 20 and therefore showing a taper 23.
- the impeller blade tip 15 on the pressure sidewall 22 is formed in a straight line.
- a squealing edge 24 is formed in a viewing direction from above onto the impeller blade tip 15 , which is opposite the inner wall 16 of the housing. The transition between the squealer 24 and the pressure sidewall 22 is substantially perpendicular.
- the suction side wall 20 is designed essentially obliquely towards the squealer edge 24, which can be done by removing material.
- the figure 4 shows a perspective view of the impeller blade tip 15 in a central region 35 along along the impeller blade tip 15 between the leading edge 17 and the trailing edge 18 .
- the central region 35 is only provided with a reference number on one impeller blade 7 .
- the figure 4 shows a section through the central area 35.
- the figure 5 again shows the geometric conditions at the trailing edge 18.
- the impeller blade tip 15 is designed in such a way that the impeller blade tip 15 is tapered only on the pressure side wall 22 and shows the tapering 23 there.
- the figure 6 shows an example of the situation at the leading edge 17 in a sectional view.
- the squealing edge 24 forms an upper end of the impeller blade tip 15 and is arranged opposite the inner wall 16 of the housing, forming a gap 26 .
- the squealer 24 and the inner wall 16 of the housing are essentially parallel to one another at this point.
- the impeller blade 7 has a thickness 26 and a height 27 .
- the upper area 28 of the impeller blade 7 is referred to as the impeller blade tip 15 .
- the taper 23 is characterized by a kink 29 which results in the thickness 26 of the impeller blade 7 becoming smaller towards the squealing edge 24 .
- a width of the scraping edge 30 is 20% to 50%, preferably 25% to 35% of the thickness 26.
- the upper area 28 is 1% to 10%, preferably 1 to 5%, particularly preferably 1 to 3% of the height 27 of the impeller blade 7.
- the taper 23 is described by an inflection point 31 which, viewed mathematically, represents a change in gradient at this point.
- the inflection point 31 can thus be referred to as a transition point at which the taper 23 changes from a convex surface to a concave surface.
- the length of the turning point 34 is essentially 45% to 55% of the upper area 28.
- the taper 23 is arranged on the suction side 19 in this exemplary embodiment.
- the pressure side 21 has no taper 23 .
- the taper 23 is arranged on the pressure side 21, with the suction side 19 having no taper here.
- the figure 7 shows the situation in the central region 35.
- the taper 23 is here arranged both on the pressure side 21 and on the suction side 19.
- the blade tip 15 of the impeller is formed symmetrically to the center of the thickness 26 .
- the geometric conditions for the pressure side 21 are essentially the same. The same conditions apply to the geometric ratio as in the case of the impeller blade tip 15 according to FIG figure 6 .
- the figure 8 shows the situation at the trailing edge 18.
- the impeller blade tip 15 is according to figure 6 and the impeller blade tip 15 according to figure 8 essentially the same as each other.
- the impeller blade tip 15 of figure 6 is a mirror image of the blade tip 15 according to FIG figure 8 educated.
- FIGS 9 to 11 show a schematic plan view of the impeller blade tip 15 seen from above. Due to the better representation, the impeller blade 7 is shown in a straight line.
- the taper 23 is arranged on the inlet edge 17 on the suction side 19, with the taper 23 being arranged on the outlet edge 18 on the pressure side 21.
- the taper 23 changes along the impeller blade tip 15 from the suction side 19 to the pressure side 21, with the taper 23 being formed on both sides in the middle region 35, both on the pressure side 21 and on the suction side 19.
- the narrowing 23 is arranged on the leading edge 17 on the pressure side 21 , the narrowing 23 being arranged on the trailing edge 18 on the suction side 19 .
- the taper 23 changes along the impeller blade tip 15 from the pressure side 21 to the suction side 19, with the taper 23 being formed on both sides in the middle region 35, both on the pressure side 21 and on the suction side 19.
- the figure 10 shows an alternative embodiment in which the taper 23 is formed exclusively on the suction side 19 from the leading edge 17 to the trailing edge 18 .
- the figure 11 shows an alternative embodiment in which the taper 23 is formed exclusively on the pressure side 21 from the leading edge 17 to the trailing edge 18.
Abstract
Laufradschaufel (7) für ein Laufrad (2) eines Radialverdichters (1), wobei die Laufradschaufel (7) eine Laufradschaufelspitze (15) aufweist, die im Betrieb einer Gehäuseinnenwand (16) gegenüberliegt, wobei die Laufradschaufelspitze (15) verjüngt ausgebildet ist.Impeller blade (7) for an impeller (2) of a centrifugal compressor (1), the impeller blade (7) having an impeller blade tip (15) which is opposite an inner wall (16) of the housing during operation, the impeller blade tip (15) being tapered.
Description
Die Erfindung betrifft eine Laufradschaufel für ein Laufrad eines Radialturboverdichters, wobei die Laufradschaufel eine Laufradschaufelspitze aufweist, die im Betrieb einer Gehäuseinnenwand gegenüberliegt.The invention relates to an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip which is opposite an inner wall of the housing during operation.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Laufradschaufel für ein Laufrad eines Radialturboverdichters, wobei die Laufradschaufel eine Laufradschaufelspitze aufweist, die im Betrieb einer Gehäuseinnenwand gegenüberliegt.The invention also relates to a method for producing an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip which is opposite an inner wall of the housing during operation.
Strömungsmaschinen, wie Z.B. Turboverdichter, insbesondere Radialverdichter umfassen unter anderem einen um eine Rotationsachse rotierbaren Teil und einen um den rotierbaren Teil angeordneten statischen Teil. Im Betrieb strömt ein Strömungsfluid in die Strömungsmaschine und wird dort durch so genannte Laufräder umgelenkt. Der Druck und die Temperatur des Strömungsfluides werden dabei erhöht.Flow machines, such as turbo compressors, in particular centrifugal compressors, include, among other things, a part that can rotate about an axis of rotation and a static part that is arranged around the rotatable part. During operation, a flow fluid flows into the turbomachine and is deflected there by so-called impellers. The pressure and the temperature of the flow fluid are thereby increased.
Die Laufräder umfassen in der Regel Laufradschaufeln. Die Laufräder sind die Kernkomponenten eines Turboverdichters. Je nach Anwendung des Verdichters werden gemäß den zu erfüllenden Anforderungen unterschiedliche Laufradtypen ausgewählt. Halboffene Laufräder werden in der Regel für Anwendungen ausgewählt, bei denen eine hohe Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser des Laufrades resultiert. Dies sind häufig Anwendungen im Bereich der Getriebeverdichter, aber auch im Bereich der Einwellenradialverdichter. Halboffene Radiallaufräder werden mit einem kleinen Spalt zu dem statischen Teil betrieben, welcher einen direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad des Verdichters hat.The impellers typically include impeller blades. The impellers are the core components of a turbo compressor. Depending on the application of the compressor, different types of impellers are selected according to the requirements to be met. Semi-open impellers are typically selected for applications that result in high peripheral speeds at the impeller OD. These are often applications in the area of geared compressors, but also in the area of single-shaft centrifugal compressors. Semi-open centrifugal impellers are operated with a small gap to the static part, which has a direct impact on the efficiency of the compressor.
Der Spalt zwischen dem rotierbaren Teil und dem statischen Teil hat hierbei einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad. Je kleiner dieser Spalt ist, umso besser ist der Wirkungsgrad.The gap between the rotatable part and the static part has a major impact on the efficiency. The smaller this gap, the better the efficiency.
Einerseits muss der Spalt zwischen dem Laufrad und einem Kontourring, der Teil des statischen Teils ist und auch als Stator bezeichnet werden kann, möglichst gering sein, um den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Andererseits muss durch einen angemessenen Spalt ein sicherer Betrieb gewährleistet und das Risiko eines Anstreifens minimiert werden. Dazu müssen bei der Spaltauslegung die Rahmenbedingungen der Maschine, wie zum Beispiel Fliehkraftaufweitung, thermische Dehnung, Schwingungen, etc. berücksichtigt werden. Durch das Aufbringen einer Einlaufschicht kann der Spalt zwischen Laufrad und Kontourring kleiner ausgeführt werden, um so den Wirkungsgrad der Maschine zu verbessern.On the one hand, the gap between the impeller and a contour ring, which is part of the static part and can also be called the stator, must be as small as possible in order to achieve the best possible efficiency. On the other hand, an adequate gap must ensure safe operation and minimize the risk of rubbing. For this purpose, the general conditions of the machine, such as centrifugal force expansion, thermal expansion, vibrations, etc. must be taken into account when designing the gap. By applying a running-in layer, the gap between the impeller and the contour ring can be made smaller in order to improve the efficiency of the machine.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufradschaufel für einen Radialverdichter anzugeben, die im Betrieb eine verbesserte Strömungsführung zeigt.The object of the invention is to specify an impeller blade for a centrifugal compressor which exhibits improved flow guidance during operation.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Laufradschaufel für ein Laufrad eines Radialturboverdichters, wobei die Laufradschaufel eine Laufradschaufelspitze aufweist, die im Betrieb einer Gehäuseinnenwand gegenüberliegt, wobei die Laufradschaufelspitze verjüngt, ausgebildet ist.This object is achieved by an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip which, during operation, is opposite an inner wall of the housing, the impeller blade tip being tapered.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung einer Laufradschaufel anzugeben, die im Betrieb eine verbesserte Strömungsführung zeigt.A further object of the invention is to specify a method for producing an impeller blade which exhibits improved flow guidance during operation.
Die auf das Verfahren hin gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Laufradschaufel für ein Laufrad eines Radialturboverdichters, wobei die Laufradschaufel eine Laufradschaufelspitze aufweist,
die im Betrieb einer Gehäuseinnenwand gegenüberliegt, wobei die Laufradschaufelspitze verjüngt ausgebildet wird.The object directed towards the method is achieved by a method for producing an impeller blade for an impeller of a radial turbocompressor, the impeller blade having an impeller blade tip,
which opposes an inner wall of the housing during operation, with the impeller blade tip being designed to be tapered.
Mit der Erfindung wird somit der Weg verfolgt, eine zusätzliche Kontur, nämlich eine Verjüngung, angepasst auf die thermodynamischen Bedingungen, auf die Laufradschaufelspitze der Laufradschaufel aufzubringen.The invention thus follows the path of applying an additional contour, namely a taper, adapted to the thermodynamic conditions, to the impeller blade tip of the impeller blade.
Es hat sich gezeigt, dass gerade in diesem Bereich des Spaltes zwischen der Laufradschaufel und dem Gehäuseinnenteil die Geometrie der Laufradschaufelspitze einen Einfluss hat auf die Strömungsbedingungen und somit auch auf den Wirkungsgrad. Durch die Verjüngung der Laufschaufelradspitze treten weniger Verwirbelungen und Sekundärströmungen auf.It has been shown that it is precisely in this area of the gap between the impeller blade and the inner part of the housing that the geometry of the impeller blade tip has an influence on the flow conditions and thus also on the efficiency. Due to the tapering of the impeller wheel tip, less turbulence and secondary flows occur.
Durch die optimierte Schaufelspitzenkontur kann die Leckage bei gleichbleibendem Spalt verringert und dadurch der Wirkungsgrad der Maschine verbessert werden. Der Spalt kann bei gleichbleibendem Wirkungsgrad vergrößert werden, um die Betriebssicherheit weiter zu steigern.Thanks to the optimized blade tip contour, leakage can be reduced while the gap remains the same, thereby improving the efficiency of the machine. The gap can be increased with the same level of efficiency in order to further increase operational reliability.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments are specified in the dependent claims.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung weist die Laufradschaufel eine Eintrittskante und eine Austrittskante auf, wobei die Laufradschaufelspitze von der Eintrittskante bis zur Austrittskante durchgängig verjüngt, ausgebildet ist.In a first advantageous development, the impeller blade has a leading edge and a trailing edge, with the impeller blade tip being continuously tapered from the leading edge to the trailing edge.
Im Betrieb wird die Laufradschaufel auf einem Laufrad eingesetzt, das wiederum in einem Turboverdichter zum Einsatz kommt, wobei durch den Turboverdichter ein Strömungsfluid strömt. Das Strömungsfluid trifft zunächst auf die Eintrittskante der Laufradschaufel und wird von dort in Folge der Profilierung der Laufradschaufel derart umgelenkt, dass das Strömungsfluid an der Austrittskante den Bereich des Laufrades verlässt.In operation, the impeller blade is used on an impeller, which in turn is used in a turbo compressor, with a flow fluid flowing through the turbo compressor. The flow fluid first hits the leading edge of the impeller blade and is deflected from there as a result of the profiling of the impeller blade in such a way that the flow fluid leaves the area of the impeller at the trailing edge.
Vorteilhafterweise wird nun die verjüngte Laufradschaufelspitze entlang der gesamten Länge der Laufradschaufel, von der Eintrittskante bis zur Austrittskante ausgebildet.Advantageously, the tapered impeller blade tip is now formed along the entire length of the impeller blade, from the leading edge to the trailing edge.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Laufradschaufel eine Saugseite mit einer Saugseitenwand und eine Druckseite mit einer Druckseitenwand auf, wobei die Laufradschaufelspitze sowohl an der Druckseitenwand als auch an der Saugseitenwand die Verjüngung aufweist.In a further advantageous development, the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall, the impeller blade tip having the taper both on the pressure side wall and on the suction side wall.
Es können Strömungssituationen vorkommen, in denen es eine vorteilhafte Weiterbildung darstellt, wenn die Laufradschaufel eine Saugseite mit einer Saugseitenwand und eine Druckseite mit einer Druckseitenwand aufweist,
wobei die Laufradschaufelspitze nur an der Druckseitenwand verjüngt, ausgebildet ist.Flow situations can occur in which it is an advantageous development if the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall,
the impeller blade tip being tapered only at the pressure sidewall.
Somit wird in dieser vorteilhaften Weiterbildung die Verjüngung nicht auf beiden Seiten ausgeführt, und zwar sowohl auf der Saugseite als auch auf der Druckseite, sondern lediglich auf der Druckseitenwand.Thus, in this advantageous development, the narrowing is not implemented on both sides, namely both on the suction side and on the pressure side, but only on the pressure side wall.
Der Knick, der zu einer Verjüngung der Laufradschaufelspitze führt, ist somit lediglich auf der Druckseite ausgebildet. Die gegenüberliegende Saugseite weist hingegen keinen Knick auf, im Bereich der Laufradschaufelspitze. Im Querschnitt gesehen würde die Saugseite demnach gerade ausgebildet sein.The kink, which leads to a narrowing of the impeller blade tip, is therefore only formed on the pressure side. The opposite suction side, on the other hand, does not show any kink in the area of the impeller blade tip. Viewed in cross section, the suction side would accordingly be straight.
Es können aber auch andere Strömungssituationen vorkommen, in denen es eine vorteilhafte Weiterbildung darstellt, wenn die Laufradschaufel eine Saugseite mit einer Saugseitenwand und eine Druckseite mit einer Druckseitenwand aufweist,
wobei die Laufradschaufelspitze nur auf der Saugseitenwand verjüngt, ausgebildet ist.However, other flow situations can also occur in which it is an advantageous development if the impeller blade has a suction side with a suction side wall and a pressure side with a pressure side wall.
wherein the impeller blade tip is tapered only on the suction sidewall.
Somit wird in dieser vorteilhaften Weiterbildung die Verjüngung nicht auf beiden Seiten ausgeführt, und zwar sowohl auf der Saugseite als auch auf der Druckseite, sondern lediglich auf der Saugseitenwand.Thus, in this advantageous development, the taper is not performed on both sides, namely both the suction side as well as on the pressure side, but only on the suction side wall.
Der Knick, der zu einer Verjüngung der Laufradschaufelspitze führt, ist somit lediglich auf der Saugseite ausgebildet. Die gegenüberliegende Druckseite weist hingegen keinen Knick auf, im Bereich der Laufradschaufelspitze. Im Querschnitt gesehen würde die Druckseite demnach gerade ausgebildet sein.The kink that leads to a narrowing of the impeller blade tip is therefore only formed on the suction side. The opposite pressure side, on the other hand, does not show any kink in the area of the impeller blade tip. Viewed in cross section, the pressure side would accordingly be straight.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Laufradschaufel zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante einen Mittenbereich auf, wobei im Bereich der Eintrittskante die Laufradschaufelspitze nur auf der Saugseitenwand verjüngt ausgebildet ist, wobei im Mittenbereich die Laufradschaufelspitze sowohl an der Druckseitenwand als auch an der Saugseitenwand die Verjüngung aufweist, wobei im Bereich der Austrittskante die Laufradschaufelspitze nur auf der Druckseitenwand verjüngt ausgebildet ist.In a further advantageous development, the impeller blade has a central region between the leading edge and the trailing edge, with the impeller blade tip being tapered in the region of the leading edge only on the suction side wall, with the impeller blade tip having the taper in the central region both on the pressure side wall and on the suction side wall , whereby in the area of the trailing edge the impeller blade tip is tapered only on the pressure side wall.
Somit wird vorgeschlagen, die Verjüngung entlang der Laufradschaufelspitze von der Eintrittskante bis zur Austrittskante derart zu gestalten, dass ein Wechsel der Verjüngung von der Eintrittskante bis zur Austrittskante erfolgt, wobei in der Mitte die Verjüngung beidseitig erfolgt. Die Verjüngung wechselt mit anderen Worten die Seite, zunächst von der Saugseitenwand, zur anderen Seite, bis zur Druckseitenwand. Der sichtbare Knick, der zur Verjüngung führt, ist demnach an der Eintrittskante nur an der Saugseite zu sehen, wohingegen der Knick an der Austrittskante nur an der Druckseite zu sehen ist. Im Mittenbereich ist der Knick auf beiden Seiten zu sehen, sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite.It is thus proposed to design the taper along the impeller blade tip from the leading edge to the trailing edge in such a way that the taper changes from the leading edge to the trailing edge, with the taper occurring on both sides in the middle. In other words, the taper changes sides, first from the suction side wall to the other side, up to the pressure side wall. The visible kink that leads to the taper can therefore only be seen on the suction side at the leading edge, whereas the kink at the trailing edge can only be seen on the pressure side. In the central area, the kink can be seen on both sides, both on the pressure side and on the suction side.
Es können Strömungssituationen vorkommen, die zu einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung führen. In dieser vorteilhaften Weiterbildung weist die Laufradschaufel zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante einen Mittenbereich auf, wobei im Bereich der Eintrittskante die Laufradschaufelspitze nur auf der Druckseitenwand verjüngt ausgebildet ist, wobei im Mittenbereich die Laufradschaufelspitze sowohl an der Druckseitenwand als auch auf der Saugseitenwand die Verjüngung aufweist, wobei im Bereich der Austrittskante die Laufradschaufelspitze nur auf der Saugseitenwand verjüngt ausgebildet ist.Flow situations can occur that lead to a further advantageous development. In this advantageous development, the impeller blade has a central region between the leading edge and the trailing edge, with the impeller blade tip being tapered only on the pressure side wall in the region of the leading edge, with in the middle area the impeller blade tip has the taper both on the pressure side wall and on the suction side wall, wherein in the area of the trailing edge the impeller blade tip is tapered only on the suction side wall.
Hiermit wird der konträre Weg eingeschlagen, wobei der Knick, der für die Verjüngung erforderlich ist, in diesem Fall auf der jeweils anderen Seite als in der vorhergehenden Weiterbildung angeordnet ist, wobei der Mittenbereich im Wesentlichen gleich ausgeführt ist und die Verjüngung auf beiden Seiten erfolgt.The opposite approach is hereby taken, with the kink required for the narrowing being arranged in this case on the respective other side than in the previous development, the central area being essentially the same and the narrowing taking place on both sides.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using specific exemplary embodiments with reference to drawings.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The properties, features and advantages of this invention described above, and the manner in which they are achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the exemplary embodiments, which are explained in more detail in connection with the drawings.
Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Identical components or components with the same function are identified with the same reference symbols.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawings. These are not intended to represent the exemplary embodiments to scale, rather the drawing, where useful for explanation, is in schematic and/or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings that can be seen directly in the drawing, reference is made to the relevant state of the art.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:
- Figur 1
- eine Darstellung eines Radialverdichters,
Figur 2- eine perspektivische Darstellung eines Laufrades
Figur 3- eine teilperspektivische Darstellung der Laufradschaufelspitze an der Eintrittskante
Figur 4- eine teilperspektivische Darstellung der Laufradschaufelspitze im Mittelbereich
Figur 5- eine teilperspektivische Darstellung der Laufradschaufelspitze an der Austrittskante
- Figur 6
- eine Schnittdarstellung der Laufradschaufelspitze an der Eintrittskante
Figur 7- eine Schnittdarstellung der Laufradschaufelspitze im Mittelbereich
Figur 8- eine Schnittdarstellung der Laufradschaufelspitze an der Austrittskante
Figur 9- eine schematische Darstellung der Laufradschaufelspitze von oben gesehen
Figur 10- eine schematische Darstellung der Laufradschaufelspitze von oben gesehen in einer ersten alternativen Ausführungsform
Figur 11- eine schematische Darstellung der Laufradschaufelspitze von oben gesehen in einer zweiten alternativen Ausführungsform
- figure 1
- a representation of a centrifugal compressor,
- figure 2
- a perspective view of an impeller
- figure 3
- a partial perspective view of the impeller blade tip at the leading edge
- figure 4
- a partial perspective view of the impeller blade tip in the middle area
- figure 5
- a partial perspective view of the impeller blade tip at the trailing edge
- figure 6
- a sectional view of the impeller blade tip at the leading edge
- figure 7
- a sectional view of the impeller blade tip in the middle area
- figure 8
- a sectional view of the impeller blade tip at the trailing edge
- figure 9
- a schematic representation of the impeller blade tip seen from above
- figure 10
- a schematic representation of the impeller blade tip seen from above in a first alternative embodiment
- figure 11
- Figure 12 is a top view schematic representation of the impeller blade tip in a second alternative embodiment
Begriffe wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung sind auf eine Achse X eines Rotors bezogen, wenn dies nicht anders angegeben ist.Terms such as axial, radial, tangential, or circumferential refer to an axis X of a rotor unless otherwise noted.
Die
Die Strömungsmaschine umfasst unter anderem ein radiales Laufrad 2, welches um eine Rotationsachse 3 rotierbar gelagert ist. Das Laufrad 2 weist eine axiale Zuströmung 4 sowie eine radiale Abströmung 5 auf.The turbomachine includes, among other things, a
Darüber hinaus umfasst das Laufrad 2 eine Nabe 6 sowie radial von der Nabe 6 abstehende Laufradschaufeln 7. Zwischen den Laufradschaufeln 7 sind Strömungskanäle ausgebildet, welche von einem Strömungsfluid durchströmbar sind. Des Weiteren ist die Nabe 6 mit einer figürlich nicht dargestellten Welle des Radialverdichters 1 verbunden.In addition, the
Außerdem weist das Laufrad 2 eine Radscheibe 8 auf, die einteilig mit der Nabe 6 ausgebildet ist und die Laufradschaufeln 7 miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 2 ein sogenanntes halboffenes Laufrad, also ein Laufrad ohne Deckscheibe. Es sind auch alternative Ausführungsformen bekannt, bei denen das Laufrad 2 ein sogenanntes geschlossenes Laufrad ist, also ein Laufrad mit einer Deckscheibe.In addition, the
Weiterhin umfasst der Radialverdichter 1 ein Gehäuse 9, in welchem das Laufrad 2 platziert ist. Ein Teil des Gehäuses 9 ist als Spiralgehäuse ausgebildet. Das heißt, das Gehäuse 9 weist einen Spiralgehäuseteil 10 mit einem spiralförmigen Hohlraum 11 auf.Furthermore, the centrifugal compressor 1 includes a
Ferner weist der Verdichter einen ringförmigen, bezüglich der Rotationsachse 3 axialsymmetrischen Diffusor 12 auf, welcher als eine Hohlkammer bzw. als ein Kanal im Gehäuse 9 ausgebildet ist. Der Diffusor 12 ist um einen Umfang des Laufrads 2 herum angeordnet und ist als Radialdiffusor ausgebildet. Außerdem mündet der Diffusor 12 in den Spiralgehäuseteil 10 bzw. in dessen Hohlraum 11.Furthermore, the compressor has an
Darüber hinaus ist in
Des Weiteren weist der Diffusor 12 eine Mehrzahl von Diffusorschaufeln 14 auf. Das heißt, der Diffusor 12 ist ein beschaufelter Diffusor. Im vorliegenden Ausführungsbespiel weist der Diffusor 12 sechs Diffusorschaufeln 14 auf von denen in
Der Verdichter 1 wird zum Verdichten eines Strömungsfluids, wie z.B. Luft, eingesetzt. Während des Betriebs des Radialverdichters 1 strömt das Strömungsfluid axial durch die axiale Zuströmung 4 in das Laufrad 2 bzw. in die durch die Laufradschaufeln 7 gebildeten Strömungskanäle ein. Das Strömungsluid wird durch das Laufrad 2 in Rotation versetzt und verlässt das Laufrad 2 radial nach außen durch die radiale Abströmung 5.The compressor 1 is used for compressing a flowing fluid such as air. During operation of the centrifugal compressor 1 , the flow fluid flows axially through the
Von dort strömt das aus dem Laufrad 2 austretende Strömungsfluid in den Diffusor 12. Der Diffusor 12 wandelt einen Teil der kinetischen Energie des Fluids in potenzielle Energie in Form von Druck um und führt das Fluid in den Hohlraum 11 des Spiralgehäuseteils 10.From there, the flow fluid emerging from the
Die Laufradschaufel 7 weist eine Laufradschaufelspitze 15 auf, die einer Gehäusinnenwand 16 gegenüberliegt. Zwischen der Laufradschaufelspitze 15 und der Gehäuseinnenwand 16 ist ein Spalt, der im Betrieb des Radialverdichters 1 möglichst gering sein sollte.The
Das Strömungsfluid strömt in der axialen Zuströmung 4 dem Laufrad 2 und insbesondere den Laufradschaufeln 7 entgegen und trifft dort auf Eintrittskanten 17 der Laufradschaufeln, wobei das Strömungsfluid entlang der Laufradschaufel 7 entlangströmt und an einer Austrittskante 18 der Laufradschaufel 7 das Laufrad 2 verlässt und von dort in den Diffusor 12 strömt.The flow fluid flows in the
Die
Jede Laufradschaufel 7 weist eine Eintrittskante 17 und eine Austrittskante 18 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich bei einer Laufradschaufel die Eintrittskante 17 und die Austrittskante 18 mit einem Bezugszeichen versehen.Each
Im Betrieb rotiert das Laufrad 2 in der perspektivischen Ansicht der
Die Laufradschaufel 7 weist eine Saugseite 19 mit einer Saugseitenwand 20 und eine Druckseite 21 mit einer Druckseitenwand 22 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich an einer Laufradschaufel 7 die Saugseite 19 und die Saugseitenwand 20 sowie Druckseite 21 und die Druckseitenwand 22 mit einem Bezugszeichen versehen.The
Im Betrieb strömt das Strömungsmedium entlang der Saugseitenwand 20 und der Druckseitenwand 22.In operation, the flow medium flows along the
Jede Laufradschaufel 7 weist in der
Die
Um die Strömungsverluste zwischen der Laufradschaufelspitze 15 und der Gehäuseinnenwand 16 zu minimieren ist die Laufradschaufelspitze 15 verjüngt ausgebildet. Dabei hängt es von den im Betrieb auftretenden Strömungsbedingungen ab, wie die Verjüngung idealerweise ausgebildet sein sollte. Die Gestaltung der Laufradschaufelspitze 15 hängt vom Ergebnis einer Strömungssimulation ab, die für unterschiedliche Strömungsverhältnisse unterschiedlich aussehen kann.In order to minimize the flow losses between the
Die Darstellungen der Laufradschaufelspitze 15 der folgenden Figuren sind daher als Ausführungsbeispiele zu betrachten.The representations of the
In dem in
Auf der Saugseite 19 hingegen ist die Saugseitenwand 20 zur Anstreifkante 24 hin im Wesentlichen schräg ausgebildet, was durch eine Materialabtragung erfolgen kann.On the
Die
Die
Der Unterschied zu der
Die
Die
Die
Die Laufradschaufel 7 weist eine Dicke 26 und eine Höhe 27 auf. Der obere Bereich 28 der Laufradschaufel 7 wird als Laufradschaufelspitze 15 bezeichnet. Die Verjüngung 23 ist durch einen Knick 29 charakterisiert, der dazu führt, dass die Dicke 26 der Laufradschaufel 7 zur Anstreifkante 24 hin geringer wird. Eine Breite der Anstreifkante 30 liegt hierbei bei 20 % bis 50%, vorzugswiese 25% bis 35% der Dicke 26.The
Der obere Bereich 28 liegt hierbei bei 1% bis 10%, vorzugsweise 1 bis 5%, besonders bevorzugt bei 1 bis 3% der Höhe 27 der Laufradschaufel 7.The
Die Verjüngung 23 wird durch einen Wendepunkt 31 beschrieben, der mathematisch betrachtet einen Steigungswechsel an diesem Punkt darstellt. Der Wendepunkt 31 kann somit als Übergangspunkt bezeichnet werden, an dem die Verjüngung 23 von einer konvexen Oberfläche zu einer konkaven Oberfläche wechselt.The
Des Weiteren liegt die Länge des Wendepunktes 34 im Wesentlichen bei 45% bis 55% des oberen Bereiches 28.Furthermore, the length of the
Die Verjüngung 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Saugseite 19 angeordnet. Die Druckseite 21 weist hingegen keine Verjüngung 23 auf. In alternativen Ausführungsformen ist die Verjüngung 23 auf der Druckseite 21 angeordnet, wobei die Saugseite 19 hierbei keine Verjüngung aufweist.The
Die
Die
Es gelten die gleichen geometrischen Bedingungen.The same geometric conditions apply.
Die
Die Blickrichtung bei den
In der
In einer nicht dargestellten alternative Ausführungsform ist die Verjüngung 23 an der Eintrittskante 17 auf der Druckseite 21 angeordnet ist, wobei an der Austrittskante 18 die Verjüngung 23 auf der Saugseite 19 angeordnet ist. Die Verjüngung 23 wechselt entlang der Laufradschaufelspitze 15 von der Druckseite 21 auf die Saugseite 19, wobei im Mittelbereich 35 die Verjüngung 23 auf beiden Seiten, sowohl auf der Druckseite 21 als auch auf der Saugseite 19 ausgebildet ist.In an alternative embodiment that is not shown, the narrowing 23 is arranged on the leading
Die
Die
Claims (9)
wobei die Laufradschaufelspitze (15) derart hergestellt wird, dass die Laufradschaufelspitze (15) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.Method according to claim 8,
wherein the impeller blade tip (15) is manufactured such that the impeller blade tip (15) is formed according to any one of claims 1 to 8.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP21204241.0A EP4170182A1 (en) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | Rotor blade for a radial turbocompressor |
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EP21204241.0A EP4170182A1 (en) | 2021-10-22 | 2021-10-22 | Rotor blade for a radial turbocompressor |
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EP4170182A1 true EP4170182A1 (en) | 2023-04-26 |
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Country | Link |
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EP (1) | EP4170182A1 (en) |
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- 2021-10-22 EP EP21204241.0A patent/EP4170182A1/en not_active Withdrawn
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