WO2009112242A2 - Deckscheibe für ein geschlossenes laufrad - Google Patents

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    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a cover plate for a closed impeller of a radial or diagonal flow machine, for example a radial compressor or expander, in particular a turbo compressor, an impeller with such a cover plate and a turbomachine with such an impeller.
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved cover plate available.
  • a cover plate according to the preamble of claim 1 is further developed by its characterizing features.
  • Claim 8 provides a closed impeller with such a cover, claim 9 a Turbomachine with such an impeller under protection.
  • the dependent claims relate to preferred developments.
  • the present invention is based on the finding that a local bulging of the outer cover surface leads to an impeller geometry which, in conjunction with a corresponding curvature of the outer cover surface in the centrifugal forces occurring during operation, can reduce stresses on critical structural regions.
  • a cover plate according to the invention is provided for a closed impeller of a radial or diagonal flow machine, for example a radial compressor or expander, in particular a turbocompressor, and can for this purpose be integrally formed with a blading, for example, formed in an original shape or machined.
  • a cover plate according to the invention can also be connected to the blading, for example riveted, soldered and / or welded.
  • a combination of both versions, as known from DE 41 13 831 A1 with radially divided blades, wherein an impeller part formed integrally with the cover plate, another Laufradtteil is permanently connected to this, may be advantageous.
  • the cover disc defines together with a 2 D or 3 D blading and the impeller disc a flow channel for a fluid to be conveyed, to be compressed or to be relaxed.
  • the cover disk has a profile center line or skeleton line which runs in the middle between the outer surface remote from the flow channel and an inner surface of the cover disk facing the flow channel.
  • the cover disk has a local maximum between a first and a second end face.
  • the first end face may be, for example, an inlet or suction side, while the second end side may be an outlet or pressure side.
  • the cover disc according to the invention has a belly between its inlet and outlet on its outer surface.
  • the outer surface has a convex, outwardly curved curvature with a radius whose ratio to the outer diameter of the impeller is in a range between 0.05 and 0.5.
  • the outer diameter of the impeller is in particular the largest or the nominal diameter of the impeller designated.
  • the bulge leads to a more favorable mass distribution, so that the maximum stresses occurring during operation are reduced. As a result, higher impeller speeds, longer service life and / or the use of less solid and thus cheaper material possible. Due to the convex curvature with the radius ratio according to the invention, moreover, the occurrence of maximum stresses at structurally unfavorable points, for example the outer circumference of the cover plate in the region of the connection with the rotor blading, which is often embodied as a welded seam, can be avoided or such stresses can be reduced.
  • the ratio of the radius' to the outer diameter is in a range between 0.1 and 0.4, more preferably in a range between 0.15 and 0.3. This results in particularly low-tension wheels.
  • the convex curvature of the outer surface of the cover disc merges into a concave curvature toward the first and / or second end side, so that the outer edge of the meridian cross section has a point of inflection before and / or after the local maximum, in which the Curvature changes its sign.
  • Such outer surfaces with one or more oppositely curved regions are particularly low stress and can be made well.
  • the concave curvature may have, for the first end side, a radius which is smaller than the radius of the convex curvature in the region of the local maximum. mums is.
  • the wall thickness of the cover disc decreases continuously towards the second end face.
  • the continuous reduction in particular a Verrin - Rung with substantially constant radius of curvature provides for an advantageous stress distribution.
  • the cover plate runs out towards its outer circumference in a concavely curved section, which adjoins the convexly curved section in the region of the local maximum. This of course includes embodiments in which the outer peripheral edge of the outer surface itself is broken or otherwise formed with a small convex radius.
  • FIG. 1 shows a meridian cross-section of the half of a cover disk according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows in half section the meridian cross section of a cover disk 1 'of a radial impeller (not shown) according to the prior art, as is known, for example, from FIG. 12 of DE 198 33 033 A1.
  • Fig. 1 shows in Fig. 2 corresponding representation of the meridian cross section of a cover plate 1 of a radial impeller (not shown) according to an embodiment of the present invention with a first end face 2 (left in Fig. 1), through which a radial flow machine (not shown) fluid axially sucks, and one of these axially opposite second end face 3 of the cover plate (right in Fig. 1), from which the fluid radially out of the through the cover plate 1 and (not shown) blades and an impeller carrying this carrying impeller disc emerges.
  • An inner surface 1.1 facing the flow channel has three convexly curved regions with the radii of curvature R1.1, R1.2 and R1.3, wherein in FIG. 1 the radius is indicated in each case by an arrow in the direction from a center of curvature towards the surface.
  • One of the inner surface 1.1 opposite outer surface 1.2 of the cover plate 1 has, starting from the first end face 2, first on a to a longitudinal axis of the impeller (dash-dotted lines in Fig. 1) parallel, non-curved portion. This merges into a concave region with a relatively small radius of curvature R2.1, in the middle perpendicular of which the wall thickness of the cover plate 1 tapers to a local minimum.
  • This concave region is followed by a section curved away from the flow channel and having a convex curvature with a radius R2.2 that is greater than the curvature radius R2.1. Due to the change from a concave to a convex curvature, the centers of curvature lie on the opposite side of the outer surface 1.2, as indicated by the different arrow directions in FIG.
  • the convex region in the direction of the second end face 3, again merges into a concave region with a radius of curvature R2. 3 in which the wall thickness of the cover disk 1 continuously decreases towards the second end side. Due to the alternating concave-convex-concave curvature of the outer surface 1.2 of the cover plate 1 and the contrast passing through the convex curvature of the inner surface opposite 1.1, the wall thickness along the profile center line of the meridian cross section of the cover plate 1 between the first end face 2 and the second end face 3 has a local maximum on. In the region of this local maximum, the outer surface 1.2 has a convex curvature with the radius R2.2, the quotient of which contributes to an outer diameter D2 of the impeller

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Abstract

Eine Deckscheibe (1) für ein geschlossenes Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine zur Definition eines Strömungskanals weist eine Wandstärke auf, die längs der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes der Deckscheibe zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite (2, 3) der Deckscheibe ein lokales Maximum aufweist, wobei eine von dem Strömungskanal abgewandte Außenoberfläche (1.2) der Deckscheibe im Bereich dieses lokalen Maximums eine konvexe Krümmung mit einem Radius (R2.2) aufweist, dessen Verhältnis (R2.2/D2) zu einem Außendurchmesser (D2) des Laufrades in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 liegt (0,05 ≤ R2.2/D2 ≤ 0,5).

Description

Deckscheibe für ein geschlossenes Laufrad Die Erfindung betrifft eine Deckscheibe für ein geschlossenes Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine, beispielsweise eines Radialkompressors oder -expanders, insbesondere eines Turbokompressors, ein Laufrad mit einer solchen Deckscheibe sowie eine Strömungsmaschine mit einem solchen Laufrad.
Geschlossene Laufräder, bei denen ein Strömungskanal durch die Laufschaufeln, eine diese tragende Laufradscheibe und eine mit den Laufschaufeln verbundene Deckscheibe definiert wird, sind beispielsweise aus der DE 198 33 033 A1 bekannt, die in den Figuren 8 bis 13 Deckscheiben mit verschiedenen Meridianquerschnitten zeigt. Wie insbesondere daraus erkennbar, nimmt die Wandstärke über der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes solcher Deckscheiben in der Regel kontinuierlich von einem Saugmund zu einem Strömungsaustritt ab.
Aus der DE 37 09 518 C2 und der DE 41 13831 A1 sind geschlossene Laufräder mit einer Deckscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei denen eine von dem Strömungskanal abgewandte Außenoberfläche der Deckscheibe einen radialen Absatz aufweist, an den sich ein kegelförmiger Abschnitt gleichblei- bender Wandstärke anschließt, so dass sich zwischen dem Saugmund und dem Strömungsaustritt in dem radialen Absatz ein lokales Maximum in der Wandstärke der Deckscheibe ergibt. Hierauf gehen die DE 37 09 518 C2 und die DE 41 13831 A1 jedoch nicht ein.
Nachteilig treten in bekannten Deckscheiben hohe Spannungen an ungünstigen Strukturstellen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Deckscheibe zur Verfügung zu stellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Deckscheibe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 8 stellt ein geschlossenes Laufrad mit einer solchen Deckscheibe, Anspruch 9 eine Strömungsmaschine mit einem solchen Laufrad unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine lokale Ausbauchung der Deckscheibenaußenoberfläche zu einer Laufradgeometrie führt, welche in Verbindung mit einer entsprechenden Krümmung der Deckscheibenaußenoberfläche bei den im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräften, Spannungen an kritischen Strukturbereichen reduzieren kann.
Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Bereich eines lokalen Maximums der Wandstärke der Deckscheibe an deren Außenoberfläche eine konvexe Krüm- mung mit einem Radius vorzusehen, dessen Verhältnis zu einem Außendurchmesser des Laufrades in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 liegt. Bei einem exemplarischen Laufrad mit einer solchen Deckscheibe werden die Maximalspannungen um 20% reduziert und treten zudem vorteilhafterweise nicht mehr am kritischen Endbereich der Deckscheibe auf, sondern in einem mittleren Verbindungs- abschnitt zwischen Laufradscheibe und Laufschaufel.
Eine erfindungsgemäße Deckscheibe ist für ein geschlossenes Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine, beispielsweise eines Radialkompressors oder -expanders, insbesondere eines Turbokompressors, vorgesehen und kann hierzu einstückig mit einer Beschaufelung ausgebildet, beispielsweise urgeformt oder spanend hergestellt sein. Gleichermaßen kann eine erfindungsgemäße Deckscheibe auch mit der Beschaufelung verbunden, beispielsweise vernietet, verlötet und/oder verschweißt werden. Auch eine Kombination beider Ausführungen, wie sie aus der DE 41 13 831 A1 mit radial geteilten Laufschaufeln bekannt ist, wobei ein Laufradteil einstückig mit der Deckscheibe ausgebildet, ein anderer Laufradtteil mit dieser unlösbar verbunden ist, kann vorteilhaft sein.
Die Deckscheibe definiert zusammen mit einer 2 D- oder 3 D-Beschaufelung und der Laufradscheibe einen Strömungskanal für ein zu förderndes, zu verdichtendes oder zu entspannendes Fluid. In einer Meridianebene weist die Deckscheibe eine Profilmittel- oder Skelettlinie auf, die in der Mitte zwischen der von dem Strö- mungskanal abgewandten Außenoberfläche und einer dem Strömungskanal zugewandten Innenoberfläche der Deckscheibe verläuft. Längs dieser Profilmittellinie weist die Deckscheibe zwischen einer ersten und einer zweiten Stirnseite ein lokales Maximum auf. Die erste Stirnseite kann beispielsweise eine Eintritts- oder Saugseite, die zweite Stirnseite entsprechend eine Austritts- oder Druckseite sein. Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße Deckscheibe zwischen Eintritt und Austritt auf ihrer Außenoberfläche einen Bauch auf.
Im Bereich dieses lokalen Maximums weist die Außenoberfläche eine konvexe, nach außen gewölbte Krümmung mit einem Radius auf, dessen Verhältnis zu dem Außendurchmesser des Laufrades in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 liegt. Als Außendurchmesser des Laufrades wird insbesondere der größte oder der Nenn-Durchmesser des Laufrades bezeichnet.
Die Ausbauchung führt zu einer günstigeren Massenverteilung, so dass die im Betrieb auftretenden Maximalspannungen reduziert werden. Dadurch werden höhere Laufradgeschwindigkeiten, höhere Lebensdauern und/oder die Verwendung weni- ger festen und damit günstigeren Materials möglich. Durch die konvexe Krümmung mit dem erfindungsgemäßen Radiusverhältnis kann zudem das Auftreten von Maximalspannungen an strukturell ungünstigen Stellen, etwa dem Außenumfang der Deckscheibe im Bereich der Verbindung mit der Laufbeschaufelung, die häufig als Schweißnaht ausgeführt ist, vermieden oder solche Spannungen redu- ziert werden.
Bevorzugt liegt das Verhältnis des Radius' zu dem Außendurchmesser in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,4 , besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,3. Hierbei ergeben sich besonders spannungsarme Laufräder.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung geht die konvexe Krümmung der Außenoberfläche der Deckscheibe zur ersten und/oder zweiten Stirnseite hin in eine konkave Krümmung über, so dass die Außenkante des Meridianquerschnittes vor und/oder nach dem lokalen Maximum einen Wendepunkt aufweist, in dem die Krümmung ihr Vorzeichen wechselt. Solche Außenoberflächen mit ein- oder mehrfach gegensinnig gekrümmten Bereichen sind besonders spannungsarm und können gut gefertigt werden.
Die konkave Krümmung kann zur ersten Stirnseite hin einen Radius aufweisen, der kleiner als der Radius der konvexen Krümmunα im Bereich des lokalen Maxi- mums ist. Hierdurch kann eine erfindungsgemäße Deckscheibe axial kurz bauen, da der konvexe, sanft gekrümmte Bereich in dem konkav gekrümmten Bereich mit kleinerem Radius relativ stark gegen die Axialrichtung geneigt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführung verringert sich die Wandstärke der Deckscheibe zur zweiten Stirnseite hin kontinuierlich. Im Gegensatz zu den aus der DE 37 09 518 C2 und der DE 41 13831 A1 bekannten Deckscheiben mit kegelförmigen Außenabschnitten gleichbleibender Wandstärke kann hier die außenliegende Masse und damit das Massenträgheitsmoment, das Gewicht sowie die Herstellkosten reduziert werden, wobei die kontinuierliche Verringerung, insbesondere eine Verrin- gerung mit im Wesentlichen gleichbleibendem Krümmungsradius für eine vorteilhafte Spannungsverteilung sorgt. Besonders bevorzugt läuft die Deckscheibe zu ihrem Außenumfang hin in einem konkav gekrümmten Abschnitt aus, der sich an den konvex gekrümmten Abschnitt im Bereich des lokalen Maximums anschließt. Dies schließt selbstverständlich Ausführungen ein, bei denen die Außenumfangs- kante der Außenoberfläche selbst gebrochen oder auf andere Weise mit einem kleinen konvexen Radius ausgebildet ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : einen Meridianquerschnitt der Hälfte einer Deckscheibe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2: einen Meridianquerschnitt der Hälfte einer Deckscheibe nach dem
Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt im Halbschnitt den Meridianquerschnitt einer Deckscheibe 1' eines Radiallaufrades (nicht dargestellt) nach dem Stand der Technik, wie sie beispiels- weise aus der Fig. 12 der DE 198 33 033 A1 bekannt ist.
Bei dieser Deckscheibe 1' nimmt die Wandstärke längs der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes zwischen einer ersten Stirnseite 2' der Deckscheibe (links in Fig. 2), die einen Saugmund einer Radialströmungsmaschine (nicht dargestellt) definiert, und einer dieser axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 3' der Deckscheibe (rechts in Fig. 2), die einen Strömungsaustritt aus dem durch die Deckscheibe 1' definierten Strömungskanal bildet, kontinuierlich vom Saugmund 2' zum Strömungsaustritt 3' ab.
Fig. 1 zeigt in Fig. 2 entsprechender Darstellung den Meridianquerschnitt einer Deckscheibe 1 eines Radiallaufrades (nicht dargestellt) nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer ersten Stirnseite 2 (links in Fig. 1 ), durch die eine Radialströmungsmaschine (nicht dargestellt) Fluid axial ansaugt, und einer dieser axial gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 3 der Deckscheibe (rechts in Fig. 1), aus der das Fluid radial aus dem durch die Deckscheibe 1 und (nicht dargestellte) Laufschaufeln und eine diese tragende Laufradscheibe definierten Strömungska- nal austritt.
Eine dem Strömungskanal zugewandte Innenoberfläche 1.1 weist drei konvex gekrümmte Bereiche mit den Krümmungsradien R1.1 , R1.2 bzw. R1.3 auf, wobei in Fig. 1 der Radius jeweils durch einen Pfeil in Richtung von einem Krümmungsmittelpunkt zur Oberfläche hin angedeutet ist. Eine der Innenoberfläche 1.1 gegenüberliegende Außenoberfläche 1.2 der Deckscheibe 1 weist, beginnend von der ersten Stirnseite 2, zunächst einen zu einer Längsachse des Laufrades (strichpunktiert in Fig. 1) parallelen, ungekrümmten Bereich auf. Dieser geht in einen konkaven Bereich mit einem relativ kleinen Krümmungsradius R2.1 über, in dessen Mittelsenkrechten sich die Wandstärke der Deckscheibe 1 zu einem lokalen Minimum verjüngt.
An diesen konkaven Bereich schließt sich ein vom Strömungskanal weggewölbter Abschnitt mit einer konvexen Krümmung mit einem Radius R2.2 an, der größer als der Krümmungsradius R2.1 ist. Aufgrund des Wechsels von einer konkaven zu einer konvexen Krümmung liegen die Krümmungsmittelpunkte auf einander gege- nüberliegenden Seite der Außenoberfläche 1.2, wie durch die verschiedenen Pfeilrichtungen in Fig. 1 angedeutet.
Der konvexe Bereich geht seinerseits in Richtung zur zweiten Stirnseite 3 hin wieder in einen konkaven Bereich mit einem Krümmungsradius R2.3 über, in dem die Wandstärke der Deckscheibe 1 sich zur zweiten Stirnseite hin kontinuierlich ver- ringert. Aufgrund der wechselnden konkav-konvex-konkaven Krümmung der Außenoberfläche 1.2 der Deckscheibe 1 und der demgegenüber durchgehen konvexen Krümmung der ihr gegenüberliegenden Innenoberfläche 1.1 weist die Wandstärke längs der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes der Deckscheibe 1 zwischen der ersten Stirnseite 2 und der zweiten Stirnseite 3 ein lokales Maximum auf. Im Bereich dieses lokalen Maximums weist die Außenoberfläche 1.2 eine konvexe Krümmung mit dem Radius R2.2 auf, dessen Quotient zu einem Außendurchmesser D2 des Laufrades bei
R2.2 / D2 « 0,22 liegt. Hierdurch treten die Maximalspannungen aufgrund der auf die Deckscheibe wirkenden Fliehkräfte an dem (nicht dargestellten) Übergang Laufschaufel - Laufradscheibe auf und nicht mehr im Bereich der zweiten Stirnfläche 3 der Deckscheibe 1. Zudem reduziert sich die absolute Größe der Maximalspannung bei einer bestimmten Drehzahlbelastung um 20%.
Bezugszeichenliste
1 , 1' Deckscheibe
1.1 , 1.1 ' Innenoberfläche
1.2, 1.2' Außenoberfläche 2, 2' erste Stirnseite (Saugseite)
3, 3' zweite Stirnseite (Austrittsseite)
D2 Außendurchmesser des Laufrades
R1.1 - R1.3 Krümmungsradius der Innenoberfläche
R2.1 - R2.3 Krümmungsradius der Außenoberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Deckscheibe (1 ) für ein geschlossenes Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine, zur Definition eines Strömungskanals, deren Wandstärke längs der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes der Deckscheibe zwi- sehen einer ersten und einer zweiten Stirnseite (2, 3) der Deckscheibe ein lokales Maximum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Strömungskanal abgewandte Außenoberfläche (1.2) der Deckscheibe im Bereich dieses lokalen Maximums eine konvexe Krümmung mit einem Radius (R2.2) aufweist, dessen Verhältnis (R2.2/D2) zu einem Außendurchmesser (D2) des Laufrades in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 liegt (0,05 < R2.2/D2 <
0,5).
2. Deckscheibe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (R2.2/D2) des Radius' (R2.2) zu dem Außendurchmesser (D2) in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,4 liegt (0,1 < R2.2/D2 < 0,4).
3. Deckscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (R2.2/D2) des Radius' (R2.2) zu dem Außendurchmesser (D2) in einem Bereich zwischen 0,15 und 0,3 liegt (0,15 < R2.2/D2 < 0,3).
4. Deckscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Krümmung der Außenoberfläche der Deckscheibe zur ersten und/oder zweiten Stirnseite hin in eine konkave Krümmung übergeht.
5. Deckscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Krümmung zur ersten Stirnseite hin einen Radius (R2.1) aufweist, der kleiner als der Radius (R2.2) der konvexen Krümmung im Bereich des lokalen Maxi- mums ist.
6. Deckscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Deckscheibe sich zur zweiten Stirnseite hin kontinuierlich verringert.
7. Deckscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnseite eine Saugseite, die zweite Stirnseite eine Austrittsseite ist.
8. Geschlossenes Laufrad für eine Radial- oder Diagonalströmungsmaschine mit einer Deckscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe einstückig mit einer Beschaufelung ausgebildet und/oder mit dieser verbunden ist.
9. Radial- oder Diagonalströmungsmaschine, insbesondere Turbokompressor, mit einem geschlossenen Laufrad nach Anspruch 8.
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