EP4215759A1 - Diffusor für einen radialturboverdichter - Google Patents

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EP4215759A1
EP4215759A1 EP22153077.7A EP22153077A EP4215759A1 EP 4215759 A1 EP4215759 A1 EP 4215759A1 EP 22153077 A EP22153077 A EP 22153077A EP 4215759 A1 EP4215759 A1 EP 4215759A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diffuser
vane
along
guide vanes
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Withdrawn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
EP22153077.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Paul HARTMANN
Michael Wannek
Attilla Yildiz
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 Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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 Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to EP22153077.7A priority Critical patent/EP4215759A1/de
Publication of EP4215759A1 publication Critical patent/EP4215759A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/121—Fluid guiding means, e.g. vanes related to the leading edge of a stator vane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape

Definitions

  • the invention relates to a diffuser for a radial turbocompressor, the diffuser extending annularly around a central axis, the diffuser having an inflow which is formed along at least a first section of the flow for an at least largely radial flow by means of a process fluid during operation, the diffuser having standing first guide vanes which divide the diffuser into individual circumferential segments at least along a radial section, the first guide vanes dividing in the direction of the flow from a first leading edge to a first trailing edge along a first chord length S1, with the diffuser having stationary second guide vanes which divide the diffuser into individual circumferential segments at least along a radial section, with the second guide vanes extending in the direction of flow from a second leading edge to a second trailing edge along a second chord length S2, with the diffuser having a first diffuser boundary contour in the region of the first section on a first axial side and has a second diffuser delimitation contour on a second axial side, wherein the first
  • the fluid leaves the impeller radially outwards and from there reaches the diffuser, which is typically also flown through radially from the inside outwards.
  • the diffuser according to the invention is designed with blades. With regard to the blading, a distinction is made between low-solidity diffusers [LSD] with low blade overlap (with vanes, which have a relatively large distance from each other in the circumferential direction in relation to their radial extension) and channel diffusers - also referred to as aerodynamic diffusers [AE diffusers] - distinguished.
  • ribbed guide vanes and guide vanes which - unlike the ribbed guide vanes - extend over the entire axial duct height of the diffuser, with the ribbed guide vanes being located upstream of the other guide vanes, it is disadvantageous that the ribbed guide vanes can trigger detachment phenomena in the throughflow in the area of their axial termination in the flow duct.
  • the ribbed guide vanes can cause a dead water region downstream that extends over part of the channel height, so that from an axial perspective, the flow pattern through the diffuser can also become less uniform through the use of ribbed guide vanes, so that positive effects in aerodynamic terms are at least partially canceled out again.
  • the invention has set itself the task of providing a more uniform flow control.
  • radial, axial, tangential or circumferential refer to the initially defined axis around which the diffuser extends annularly. In the case of a turbo compressor or a radial turbo compressor, this axis is coaxial to the axis of rotation of the rotor.
  • the invention understands a profile center line to be an imaginary line that extends through the center of a blade profile.
  • the blade profile is interpreted as a two-dimensional shape.
  • the profile centerline can be constructed in this two-dimensional form, for example by connecting the centers of all inscribed circles with a line - the profile centerline.
  • the diffuser is defined axially by diffuser boundary contours.
  • diffuser boundary contours is not to be understood in such a way that the diffuser boundary contours always have an axial surface normal. Rather, this term is intended to mean that the diffuser boundary contours in any case have a radial extension and—even if they have a course that is inclined relative to the radial or axial—bound the diffuser in the axial direction.
  • a further advantageous development of the invention provides that the axial distance between diffuser boundary contours widens in the radial direction.
  • the diffuser is a flow-guiding component of the stator, which is located downstream of the impeller outlet.
  • the flow speed of the process fluid is generally delayed in the diffuser, so that a pressure build-up results according to Bernoulli's laws.
  • the diffuser effect results simply from the radial increase in the cross-sectional area through which flow occurs.
  • a change in the diffuser channel width which usually results from the axial extension of the clear width of the diffuser, is also of importance.
  • the diffuser can also extend in a manner deviating from the radial direction. Most diffusers extend largely radially.
  • the diffuser channel width is limited by provided on both sides diffuser boundary contours. In the case of a purely radially extending diffuser without axial widening, the diffuser boundary contours also run purely radially.
  • the impeller is usually constructed with a wheel disk 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 as the hub side.
  • the other opposite axial side is referred to as the housing side.
  • this side of the housing is also often referred to as the cover plate side.
  • the invention understands a blade height to be the extent of the blade perpendicular to the main direction of flow. If one follows a flow thread—representative of the main flow direction—through the arrangement of the invention, for example through the diffuser, then this flow thread extends essentially perpendicularly to the direction of the blade height. If this streamline extends approximately in the middle of the arrangement, it will be at approximately 50% of the blade height.
  • stationary guide vanes to mean guide vanes which are firmly connected to the stator and cannot be moved relative to the rest of the stator in order to change the aerodynamic conditions during operation.
  • These guide vanes divide the diffuser into individual circumferential segments at least along a radial section. As a rule, such a division does not take place strictly by means of guide vanes running purely radially, but rather by means of guide vanes extending obliquely to the radial. In the area of the curved entry edge, such a segmentation is not given over the entire axial channel width. However, the invention provides that at least radially in sections Guide vanes extend over the entire width of the channel, thereby separating circumferential segments from one another.
  • the peripheral segments of claim 1 or the set of patent claims are conceptually synonymous with flow channels between the guide vanes of the diffuser, which extend essentially from radially inside to radially outside or are flown through along this direction.
  • chord length is the length of the profile chord - i.e. an imaginary connecting line between the profile nose and the profile trailing edge or the leading edge of the guide vane and the trailing edge.
  • blading is used in the radial diffuser, which, in addition to advantages, all have specific disadvantages.
  • blading has been used which uses the full channel width of the radial diffuser over the entire blade length (full blade) or only a small part (RIB diffusers).
  • the present proposal solves this problem by combining the advantages of both variants and minimizing the disadvantages.
  • the figure 1 shows a schematic longitudinal section along an axis of rotation 2 through a radial turbocompressor 1 with a diffuser 3 according to the invention.
  • figure 1 shows a centrifugal turbocompressor 1 with a diffuser 3 and an impeller 4 arranged upstream of the diffuser 3.
  • the impeller 4 and the diffuser 3 extend annularly along a circumferential direction 5 of an axis X with an axis of rotation 2.
  • the impeller 4 is fixed in a specific axial position on a shaft 6 rotatably mounted about the axis of rotation 2 or the axis X, which is arranged coaxially with the axis of rotation ROT.
  • the impeller 4 has a wheel disk 7 , impeller blades 8 and a cover disk 9 , the impeller blades 8 forming flow channels being fastened between the wheel disk 7 and the cover disk 9 .
  • a process fluid is sucked in axially and deflected outwards in the radial direction, where it exits the rotating impeller 4 during operation and reaches a static diffuser 3 .
  • the process fluid flows from the diffuser 3 into a collecting spiral 10 . From there, the process fluid is fed from the radial turbocompressor 1 to units located downstream in a manner that is not shown.
  • the figure 2 shows a schematic perspective view of a part of the diffuser 3 according to the invention.
  • the diffuser 3 comprises a plurality of guide vanes 11 distributed in the circumferential direction. These guide vanes 11 are distributed at equidistant intervals around the circumference.
  • the guide vane 11 comprises a first guide vane 12 and a second guide vane 13 . This will be in the figure 3 explained in more detail.
  • the diffuser 3 extends annularly around a central axis 2 and has an inflow which is formed along at least a first section of the flow for an at least largely radial flow by means of a process fluid during operation.
  • the diffuser 3 has standing first guide vanes 11 which divide the diffuser 3 into individual circumferential segments at least along a radial section.
  • the first guide vane 11 extends in the direction of flow from a first leading edge 14 to a first trailing edge 15 along a first chord length S1.
  • the diffuser 3 has standing second guide vanes 13 which divide the diffuser 3 into individual circumferential segments at least along a radial section.
  • the second guide vane 13 extends in the direction of flow from a second leading edge 16 to a second trailing edge 17 along a first chord length S2.
  • the diffuser 3 has a first diffuser boundary contour on a first axial side and a second diffuser boundary contour on a second axial side, with the first guide vanes 12 and second guide vanes 13 at least along part extending in the direction of flow transversely thereto from the first diffuser boundary contour to the second diffuser boundary contour along a blade height, the first guide vane 12 having a first vane height H1, the second guide vane 13 having a second vane height H2.
  • the second vane 13 is disposed on the first vane 12 along the vane height H2 with the second chord length S2 being shorter than the first chord length S1.
  • H1 a*H2, where a has a value between 0.1 and 0.5, in particular a value between 0.2 and 0.4 and very particularly a value between 0.25 and 0.35.
  • the first leading edge 14 of the first guide vane 12 and the second leading edge 16 of the second guide vane 13 are formed essentially parallel to one another.
  • first trailing edge 15 of the first vane 12 and the second trailing edge 17 of the second vane 13 form a common axis. This means that the trailing edges of the first guide vane 12 and the second guide vane 13 are essentially identical to one another.
  • FIG. 4 shows a plan view of the first guide vane 12 and the second guide vane 13, the second guide vane 13 being arranged on the first guide vane 12.
  • the first guide blade 12 has a first profiling 18 .
  • the second vane 13 has a second profiling 19 .
  • the first profiling 18 is essentially identical to the second profiling 19, with the second profiling 19 being scaled compared to the first profiling.

Landscapes

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

Abstract

Diffusor (3) für einen Radialturboverdichter, wobei der Diffusor (3) sich ringförmig um eine zentrale Achse (2) erstreckt, wobei der Diffusor (3) eine Zuströmung aufweist, die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung für eine zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids im Betrieb ausgebildet ist, wobei der Diffusor (3) stehende erste Leitschaufeln (12) aufweist, die den Diffusor (3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt, wobei sich die ersten Leitschaufeln (12) in Richtung der Durchströmung von einer ersten Eintrittskante (14) bis zu einer ersten Austrittskante (15) entlang einer ersten Sehnenlänge S1 erstrecken, wobei der Diffusor (3) stehende zweite Leitschaufeln (13) aufweist, die den Diffusor (3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt, wobei sich die zweiten Leitschaufeln (13) in Richtung der Durchströmung von einer zweiten Eintrittskante (16) bis zu einer zweiten Austrittskante (17) entlang einer zweiten Sehnenlänge S2 erstrecken, wobei der Diffusor (3) im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen Seite eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine zweite Diffusorbegrenzungskontur aufweist, wobei sich die ersten Leitschaufeln (12) und zweiten Leitschaufeln (13) zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur entlang einer Schaufelhöhe erstrecken, wobei die erste Leitschaufel (12) eine erste Schaufelhöhe H1 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel (13) eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel (13) entlang der Schaufelhöhe H2 auf der ersten Leitschaufel (12) angeordnet ist, wobei die zweite Sehnenlänge S2 kürzer ist als die erste Sehnenlänge S1.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Radialturboverdichter, wobei der Diffusor sich ringförmig um eine zentrale Achse erstreckt, wobei der Diffusor eine Zuströmung aufweist, die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung für eine zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids im Betrieb ausgebildet ist, wobei der Diffusor stehende erste Leitschaufeln aufweist, die den Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt, wobei sich die ersten Leitschaufeln in Richtung der Durchströmung von einer ersten Eintrittskante bis zu einer ersten Austrittskante entlang einer ersten Sehnenlänge S1 erstrecken, wobei der Diffusor stehende zweite Leitschaufeln aufweist, die den Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt, wobei sich die zweiten Leitschaufeln in Richtung der Durchströmung von einer zweiten Eintrittskante bis zu einer zweiten Austrittskante entlang einer zweiten Sehnenlänge S2 erstrecken, wobei der Diffusor im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen Seite eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine zweite Diffusorbegrenzungskontur aufweist, wobei sich die ersten Leitschaufeln und zweiten Leitschaufeln zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur entlang einer Schaufelhöhe erstrecken, wobei die erste Leitschaufel eine erste Schaufelhöhe H1 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist.
  • Bei Radialverdichtern verlässt das Fluid das Laufrad nach radial außen und gelangt von dort in den Diffusor, welcher typischerweise ebenfalls radial von innen nach außen durchströmt wird. Der Diffusor gemäß der Erfindung ist beschaufelt ausgeführt. Hinsichtlich der Beschaufelung 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.
  • Bei einem kombinierten Einsatz von Rippenleitschaufeln und Leitschaufeln, die sich - anders als die Rippenleitschaufeln - über die gesamte axiale Kanalhöhe des Diffusors erstrecken, wobei die Rippenleitschaufeln sich stromaufwärts der anderen Leitschaufeln befinden, ist es von Nachteil, dass die Rippenleitschaufeln im Bereich ihres axialen Abschlusses im Strömungskanal Ablösungserscheinungen in der Durchströmung auslösen können. Daneben ist es nachteilhaft, dass die Rippenleitschaufeln einen sich über einen Teil der Kanalhöhe erstreckenden Totwasserbereich stromabwärts verursachen können, so dass in axialer Betrachtungsweise das Strömungsbild durch den Diffusor durch den Einsatz der Rippenleitschaufeln zusätzlich weniger gleichmäßig werden kann, so dass positive Wirkungen in aerodynamischer Hinsicht zumindest teilweise wieder aufgehoben werden.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine gleichmäßigere Strömungsführung bereitzustellen.
  • Die auf die Vorrichtung hin gerichtete Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst.
  • Die vom Patentanspruch 1 abhängigen und rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • 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.
  • 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.
  • Der Diffusor wird axial von Diffusorbegrenzungskonturen definiert. Hierbei ist der Begriff "Diffusorbegrenzungskonturen" nicht derart zu verstehen, dass die Diffusorbegrenzungskonturen immer eine axiale Flächennormale aufweisen. Vielmehr soll dieser Begriff bedeuten, dass die Diffusorbegrenzungskonturen jedenfalls eine Radialerstreckung aufweisen und - auch wenn sie einen gegenüber der Radialen oder Axialen schrägen Verlauf aufweisen - den Diffusor in Axialrichtung begrenzen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich in radialer Richtung der Axialabstand zwischen Diffusorbegrenzungskonturen aufweitet.
  • 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 den Gesetzmäßigkeiten von Bernoulli ein Druckaufbau ergibt.
  • 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 als 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 weitestgehend radial. Die Diffusorkanalbreite wird begrenzt durch an beiden Seiten vorgesehenen Diffusorbegrenzungskonturen. Im Falle eines sich rein radial erstreckenden Diffusors ohne axiale Aufweitung laufen die Diffusorbegrenzungskonturen 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-Nabe-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 Laufrädern, 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 - für die Hauptströmungsrichtung - repräsentativen Strömungsfaden durch die Anordnung der Erfindung, beispielsweise durch den Diffusor, so erstreckt sich dieser Strömungsfaden im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Schaufelhöhe. Erstreckt sich dieser Strömungsfaden in etwa mittig durch die Anordnung wird er in etwa bei 50% der Schaufelhöhe liegen.
  • Unter stehenden Leitschaufeln versteht die Erfindung Leitschaufeln, die fest mit dem Stator verbunden sind und sich nicht zum Zwecke der Veränderung strömungstechnischer Bedingungen im Betrieb relativ zu dem Rest des Stators bewegen lassen. Diese Leitschaufeln teilen den Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente auf. Eine derartige Aufteilung erfolgt in der Regel nicht strickt mittels rein radial verlaufender Leitschaufeln, sondern ist mittels schräg zur Radialen sich erstreckender Leitschaufeln gegeben. In dem Bereich der geschwungenen Eintrittskante ist eine derartige Segmentaufteilung nicht über die gesamte axiale Kanalbreite gegeben. Die Erfindung sieht jedoch vor, dass zumindest radial-abschnittsweise die Leitschaufeln sich über die gesamte Kanalbreite erstrecken und dadurch Umfangssegmente voneinander getrennt sind. Die Umfangssegmente des Anspruchs 1 bzw. des Patentanspruchssatzes sind begrifflich synonym mit Strömungskanälen zwischen den Leitschaufeln des Diffusors, die sich im Wesentlichen von radial innen nach radial außen erstrecken bzw. entlang dieser Richtung durchströmt werden.
  • Die Sehnenlänge ist die Länge der Profilsehne - also einer gedachten Verbindungslinie zwischen der Profilnase und der Profilhinterkante bzw. der Eintrittskante der Leitschaufel und der Austrittskante.
  • Zur Effizienzerhöhung von Radialverdichterstufen werden im Radialdiffusor Beschaufelungen eingesetzt, welche neben Vorteilen alle jedoch auch spezifische Nachteile haben.
  • Bisher wurden Beschaufelungen eingesetzt welche über die gesamte Schaufellänge die volle Kanalbreite des Radialdiffusors ausnutzen (Vollschaufel) oder nur einen geringen Teil (RIB Diffusoren).
  • Beide Varianten weisen Vor- und Nachteile auf. So können Vollschaufeldiffusoren im Allgemeinen nicht nah am Laufrad austritt positioniert werden, da es sonst zu unerwünschten Wechselwirkungen zwischen den zwei Komponenten kommt. Dies führt zu größeren radialen Erstreckungen und somit Kosten. Des Weiteren sind hierdurch die aerodynamischen Vorteile etwas geringer, die aerodynamische Robustheit jedoch sehr hoch. Diese Robustheit ist insbesondere beim Betrieb der Stufen mit Eintrittsleitapparaten notwendig, durch welche sich die Abströmung des Laufrades im Anwendungsbereich stark ändert. RIB-Diffusoren können hingegen sehr nah hinter dem Laufrad positioniert werden, was zu Vorteilen hinsichtlich der radialen Erstreckung führt. Auch die aerodynamischen Vorteile sind bei der Nutzung nahe der Auslegungsbedingen höher. Die aerodynamische Robustheit ist jedoch begrenzt, wodurch ein Einsatz mit einem Vorleitapparat nicht vorteilhaft ist.
  • Der hier vorliegende Vorschlag löst dieses Problem, indem er die Vorteile beider Varianten vereint und die Nachteile minimiert.
  • Durch die Kombination der beiden Diffusortypen können die jeweiligen Vorteile genutzt und die Nachteile minimiert werden.
  • Durch die Kombination der beiden Diffusortypen auf nur einem Schaufelgitter auf einer sehr kleinen radialen Erstreckung, ist es möglich eine Laufradanregung zu minmieren.
  • 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.
  • Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 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.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    Einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse durch einen Radialturboverdichter mit einem erfindungsgemäßen Diffusor
    Figur 2
    Eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Diffusors
    Figur 3
    Eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Diffusors
    Figur 4
    Eine schematische Draufsicht auf einen Teil des erfindungsgemäßen Diffusors
  • Die Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse 2 durch einen Radialturboverdichter 1 mit einem erfindungsgemäßen Diffusor 3.
  • Figur 1 zeigt einen Radialturboverdichter 1 mit einem Diffusor 3 und einem stromaufwärts des Diffusors 3 angeordneten Laufrad 4. Das Laufrad 4 und der Diffusors 3 erstrecken sich ringförmig entlang einer Umfangsrichtung 5 einer Achse X mit einer Drehachse 2. Das Laufrad 4 ist einer bestimmten Axialposition an einer um die Drehachse 2 bzw. die koaxial zur Drehachse ROT angeordnete Achse X drehbar gelagerte Welle 6 befestigt. Das Laufrad 4 weist eine Radscheibe 7, Laufradschaufeln 8 und eine Deckscheibe 9 auf, wobei die Laufradschaufeln 8 Strömungskanäle ausbildend sich befestigt zwischen der Radscheibe 7 und der Deckscheibe 9 befinden. Ein Prozessfluid wird axial angesaugt und in die Radialrichtung nach außen umgelenkt, wo es aus dem rotierenden Laufrad 4 im Betrieb austretend in einen statischen Diffusor 3 gelangt.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Radiaturbolverdichters 1 ist gegeben durch die Anordnung eines offenen Laufrads 4 ohne Deckscheibe 9. Diese Variante ist nicht gesondert dargestellt, sondern die Deckscheibe 9 - dargestellt in Figur 1 - kann als optional aufgefasst werden.
  • Aus dem Diffusor 3 strömt das Prozessfluid in eine Sammelspirale 10 ein. Von dort aus wird das Prozessfluid aus dem Radialturboverdichter 1 in nicht dargestellter Weise stromabwärts befindlichen Aggregaten zugeführt.
  • Die Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Diffusors 3. Der Diffusor 3 umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilte Leitschaufeln 11. Diese Leitschaufeln 11 sind in äquidistanten Abständen um den Umfang verteilt.
  • Ein Wesentliches Merkmal der Leitschaufel 11 besteht darin, dass diese eine erste Leitschaufel 12 und eine zweite Leitschaufel 13 umfasst. Dies wird in der Figur 3 näher erläutert.
  • Der Diffusor 3 erstreckt sich ringförmig um eine zentrale Achse 2 erstreckt und weist eine Zuströmung auf, die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung für eine zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids im Betrieb ausgebildet ist.
  • Der Diffusor 3 weist stehende erste Leitschaufeln 11 auf, die den Diffusor 3 zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt.
  • Die erste Leitschaufel 11 erstreckt sich in Richtung der Durchströmung von einer ersten Eintrittskante 14 bis zu einer ersten Austrittskante 15 entlang einer ersten Sehnenlänge S1.
  • Der Diffusor 3 weist stehende zweite Leitschaufeln 13 auf, die den Diffusor 3 zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt.
  • Die zweite Leitschaufel 13 erstreckt sich in Richtung der Durchströmung von einer zweiten Eintrittskante 16 bis zu einer zweiten Austrittskante 17 entlang einer ersten Sehnenlänge S2.
  • Der Diffusor 3 weist im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen Seite eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine zweite Diffusorbegrenzungskontur auf, wobei sich die ersten Leitschaufeln 12 und zweiten Leitschaufeln 13 zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur entlang einer Schaufelhöhe erstrecken, wobei die erste Leitschaufel 12 eine erste Schaufelhöhe H1 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel 13 eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist.
  • Die zweite Leitschaufel 13 ist entlang der Schaufelhöhe H2 auf der ersten Leitschaufel 12 angeordnet ist, wobei die zweite Sehnenlänge S2 kürzer ist als die erste Sehnenlänge S1.
  • Für die erste Schaufelhöhe H1 und die zweite Schaufelhöhe H2 gilt: H1 < H2.
  • Es gilt ferner: H1 = a * H2, wobei a einen Wert annimmt zwischen 0,1 und 0,5, insbesondere einen Wert zwischen 0,2 und 0,4 und ganz insbesondere einen Wert zwischen 0,25 und 0,35 annimmt.
  • Für die erste Sehnenlänge S1 und für die zweite Sehnenlänge S2 gilt: S2 < S1, wobei gilt: S2 = b * S1, wobei b einen Wert annimmt zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere einen Wert zwischen 0,4 und 0,6 und ganz insbesondere zwischen 0,45 und 0,55 annimmt.
  • Die erste Eintrittskante 14 der ersten Leitschaufel 12 und die zweite Eintrittskante 16 der zweiten Leitschaufel 13 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet.
  • Die erste Austrittskante 15 der ersten Leitschaufel 12 und die zweite Austrittskante 17 der zweiten Leitschaufel 13 bilden eine gemeinsame Achse. Das bedeutet, dass die Abströmkanten der ersten Leitschaufel 12 und der zweiten Leitschaufel 13 im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildet sind.
  • Die Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die erste Leitschaufel 12 und auf die zweite Leitschaufel 13, wobei die zweite Leitschaufel 13 auf der ersten Leitschaufel 12 angeordnet ist.
  • Die erste Leitschaufel 12 weist eine erste Profilierung 18 auf.
  • Die zweite Leitschaufel 13 weist eine zweite Profilierung 19 auf.
  • Die erste Profilierung 18 ist mit der zweite Profilierung 19 im Wesentlichen identisch, wobei die zweite Profilierung 19 im Vergleich zur ersten Profilierung skaliert ist.

Claims (9)

  1. Diffusor (3) für einen Radialturboverdichter,
    wobei der Diffusor (3) sich ringförmig um eine zentrale Achse (2) erstreckt,
    wobei der Diffusor (3) eine Zuströmung aufweist,
    die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung für eine zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids im Betrieb ausgebildet ist,
    wobei der Diffusor (3) stehende erste Leitschaufeln (12) aufweist, die den Diffusor (3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
    wobei sich die ersten Leitschaufeln (12) in Richtung der Durchströmung von einer ersten Eintrittskante (14) bis zu einer ersten Austrittskante (15) entlang einer ersten Sehnenlänge S1 erstrecken,
    wobei der Diffusor (3) stehende zweite Leitschaufeln (13) aufweist, die den Diffusor (3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
    wobei sich die zweiten Leitschaufeln (13) in Richtung der Durchströmung von einer zweiten Eintrittskante (16) bis zu einer zweiten Austrittskante (17) entlang einer zweiten Sehnenlänge S2 erstrecken,
    wobei der Diffusor (3) im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen Seite eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine zweite Diffusorbegrenzungskontur aufweist, wobei sich die ersten Leitschaufeln (12) und zweiten Leitschaufeln (13) zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur entlang einer Schaufelhöhe erstrecken,
    wobei die erste Leitschaufel (12) eine erste Schaufelhöhe H1 aufweist,
    wobei die zweite Leitschaufel (13) eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Leitschaufel (13) entlang der Schaufelhöhe H2 auf der ersten Leitschaufel (12) angeordnet ist, wobei die zweite Sehnenlänge S2 kürzer ist als die erste Sehnenlänge S1.
  2. Diffusor (3) nach Anspruch 1,
    wobei für die erste Schaufelhöhe H1 und die zweite Schaufelhöhe H2 gilt: H1 < H2.
  3. Diffusor (3) nach Anspruch 2,
    wobei gilt: H1 = a * H2, wobei a einen Wert annimmt zwischen 0,1 und 0,5, insbesondere einen Wert zwischen 0,2 und 0,4 und ganz insbesondere einen Wert zwischen 0,25 und 0,35 annimmt.
  4. Diffusor (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei für die erste Sehnenlänge S1 und für die zweite Sehnenlänge S2 gilt: S2 < S1, wobei gilt: S2 = b * S1, wobei b einen Wert annimmt zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere einen Wert zwischen 0,4 und 0,6 und ganz insbesondere zwischen 0,45 und 0,55 annimmt.
  5. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Eintrittskante (14) der ersten Leitschaufel (12) und die zweite Eintrittskante (16) der zweiten Leitschaufel (13) im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind.
  6. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Austrittskante (15) der ersten Leitschaufel (12) und die zweite Austrittskante (17) der zweiten Leitschaufel (13) eine gemeinsame Achse bilden.
  7. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitschaufel (12) und die zweite Leitschaufel (13) profiliert ausgebildet sind.
  8. Diffusor (3) nach Anspruch 7,
    wobei die Profilierung der ersten Leitschaufel (12) und die Profilierung der zweiten Leitschaufel (13) im Bereich der Austrittskante (15, 17) im Wesentlichen identisch sind.
  9. Diffusor (3) nach Anspruch 7 oder 8,
    wobei die Profilierung der ersten Leitschaufel (12) und die Profilierung der zweiten Leitschaufel (13) im Wesentlichen identisch sind.
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