WO2016046112A1 - Radialverdichterlaufrad und zugehöriger radialverdichter - Google Patents

Radialverdichterlaufrad und zugehöriger radialverdichter Download PDF

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disc
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Werner Jonen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors

Definitions

  • the invention relates to a radial compressor impeller with a wheel disc, a cover disk connected thereto, and a space formed therebetween, which has blades.
  • Such wheels are used for example in compressors, as well as z. B. in fans.
  • the wheel disc of such a radial compressor impeller has blades, the z. B. are milled from the solid, then on the blades a cover plate
  • Fig. 1 is a sectional view showing a
  • Radial compressor impeller 1 comprises a wheel disc 2 which is mounted on a shaft 3. Between the wheel disc 2 and a cover plate 4 are blades in the circumferential direction
  • the radial compressor impeller 1 is surrounded by a housing 5. Through the rotation of the radial compressor impeller 1
  • Radial compressor impeller 1 a gaseous medium flowing axially, radially accelerated and thereby compacted.
  • this cylinder surfaces 6, 7, whose axial length of the respective thickness of the wheel disc 2 and the cover plate 4 is dependent.
  • friction losses At a certain operating condition defined by gas type, pressure, temperature and speed, these increase
  • Cover disc 4 are formed, disc friction losses. The ratio of the cylinder friction losses to the
  • wheel friction losses are approximately 0.05-0.15.
  • the proportion of wheel friction losses increases, both
  • the invention is therefore based on the object
  • the invention provides that the cover disk and the wheel disk each have a conical surface on their outer circumference, the diameter of which starting from the
  • the invention is based on the finding that wheel and
  • cylindrical surfaces on the outer circumference conical surfaces are characterized by lower friction losses.
  • the conical surfaces are aligned so that the diameter of the cover disc and wheel disc decreases in the axial direction from the inside to the outside. Cover disc and wheel disc thus each have a maximum diameter on their inner sides, d. H. in the area of the gap, on. Relative to an imaginary center line between wheel disc and
  • Cover disc reduces the diameter of the conical surfaces in the axial direction to a minimum diameter at a position axially spaced from the center line position. It is also within the scope of the invention that the axial
  • Extension of the conical surfaces is approximately one third of the width of the cover plate or the wheel disc in the region of the impeller hub.
  • the thickness or width of cover plate and wheel disc in the region of the hub serves as
  • the conical surfaces extend about one third of the total thickness in the axial direction.
  • Radial compressor impellers include with the axis of rotation about an angle between 15 ° and 30 °. The larger the angle, the greater the expected reduction of
  • Wheel disc and / or the cover plate has an outer portion of reduced thickness or have.
  • the conical surfaces provided according to the invention in the radial compressor impeller according to the invention, preferably also the thickness thereof in the outer section is reduced.
  • the one or more outer portions of reduced thickness conical is formed or are.
  • a conical shape of the outer portions of the wheel disc and / or the cover plate is advantageous in view of machining.
  • the half cone angle can be between 10 ° and 20 °.
  • An embodiment of the invention provides that the thickness of the wheel disc and / or the cover plate on the outer circumference is reduced approximately to one third of the thickness in the region of the impeller hub. Accordingly, the wheel disc and / or cover disc have a reduced thickness in the axial direction. Preferably, both the wheel disc and the cover disc is tapered, but also leads to a tapered
  • the innermost 80% of the diameter may be an unmodified, i. H.
  • Diameter is formed.
  • the first diameter is formed.
  • the conical surfaces can also be shaped differently, for example, slightly curved or profiled.
  • a reduced roughness can be achieved by a corresponding
  • the wheel disc is free of thickening.
  • thickenings are usually provided on the outside thereof, whereby a so-called balancing groove is formed. When balancing the radial compressor impeller these thickenings are ground down locally. Since these thickenings disturb the flow, it is advantageous to keep the wheel disc free of such
  • the invention relates to a centrifugal compressor having a radial compressor impeller of the type described, which is accommodated in a housing.
  • Fig. 1 is a sectional view of a conventional
  • Fig. 2 is a sectional view of a detail of a
  • FIG. 2 shows a part of a centrifugal compressor impeller 10 which is basically constructed like the conventional centrifugal compressor impeller 1 shown in Fig. 1. Between a wheel disc 11 and a cover plate 12, a gap 13 is formed in which blades (not shown) are located.
  • Radial compressor impeller 1 has the one shown in Fig. 2
  • Radial compressor impeller 10 on the outer circumference of the wheel disc 11 and the cover plate 12 each have a conical surface 14, 15, the diameter of which in the axial direction starting from the Gap 13 each reduced. Both conical surfaces 14, 15 are thus inclined in opposite directions to the parallel 16 to the axis of rotation.
  • Embodiment form the conical surfaces 14, 15 with a parallel 16 to the axis of rotation at the outer periphery an angle of about 15 °. Generally, the angle can be between 15 ° and 30 °.
  • the conical surfaces 14, 15 influence the flow in the cavity between the radial compressor impeller 10 and a surrounding the wheel disc 11 and the cover plate 12 housing (not shown) aerodynamically, whereby the
  • Embodiment over about one third of the width of the wheel disc 11 and the cover plate 12.
  • a reference serves the width of the cover plate and the wheel disc in the
  • Cover plate 12 each having an outer portion 17, 18 with reduced thickness. These outer sections 17, 18 each form a circumferential conical surface. The cone angle is 10 ° in the illustrated embodiment, but it may generally be larger or smaller. The outer portions 17, 18 are formed so that the thickness of the wheel disc 11 and the cover plate 12 at the outer periphery
  • Impeller hub is reduced. In the illustrated
  • the outer portions 17, 18 with reduced thickness extend approximately from 80% of the diameter to the respective outer end.
  • the radial compressor impeller 10 is rotatably mounted on a shaft and part of a centrifugal compressor.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Radialverdichterlaufrad (10) mit einer Radscheibe (11), einer damit verbundenen Deckscheibe (12) und einem dazwischen gebildeten, Schaufeln aufweisenden Zwischenraum (13), wobei die Deckscheibe (12) und die Radscheibe (11) an ihrem Außenumfang jeweils eine Kegelfläche (14, 15) aufweisen, deren Durchmesser sich ausgehend von dem Zwischenraum (13) in Axialrichtung verringert.

Description

Beschreibung
Radialverdichterlaufrad und zugehöriger Radialverdichter Die Erfindung betrifft ein Radialverdichterlaufrad mit einer Radscheibe, einer damit verbundenen Deckscheibe und einem dazwischen gebildeten, Schaufeln aufweisenden Zwischenraum.
Derartige Laufräder kommen beispielsweise bei Kompressoren zum Einsatz, ebenso auch z. B. bei Ventilatoren.
Die Radscheibe eines derartigen Radialverdichterlaufrads weist Schaufeln auf, die z. B. aus dem Vollen gefräst sind, anschließend wird auf den Schaufeln eine Deckscheibe
befestigt, wodurch das Radialverdichterlaufrad gebildet wird.
Dokument US 2010/0 322 781 AI zeigt ein Verdichterlaufrad eines Abgasturboladers ohne gattungsgemäße Deckscheibe oder Radscheibe mit radialer Außenfläche. Starke aeroddynamische Reibungsverluste ergeben sich; die Lebensdauer ist auch dadurch eher verringert.
Fig. 1 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein
herkömmliches Radialverdichterlaufrad . Das
Radialverdichterlaufrad 1 umfasst eine Radscheibe 2, die auf einer Welle 3 befestigt ist. Zwischen der Radscheibe 2 und einer Deckscheibe 4 sind in Umfangsrichtung Schaufeln
angeordnet, die jedoch in der Ansicht von Fig. 1 nicht gezeigt sind. Das Radialverdichterlaufrad 1 ist von einem Gehäuse 5 umgeben. Durch die Rotation des
Radialverdichterlaufrads 1 kann ein gasförmiges Medium, das axial einströmt, radial beschleunigt und dadurch verdichtet werden . Am Außendurchmesser des Radialverdichterlaufrads 1 weist dieses Zylinderflächen 6, 7 auf, deren axiale Länge von der jeweiligen Dicke der Radscheibe 2 bzw. der Deckscheibe 4 abhängig ist. Bei der Rotation des Radialverdichterlaufrads 1 entstehen an den Zylinderflächen 6, 7 Reibungsverluste. Bei einem bestimmten Betriebszustand, der durch Gasart, Druck, Temperatur und Drehzahl definiert ist, steigen diese
Reibungsverluste an den Zylinderflächen 6, 7 linear mit der axialen Länge der Zylinder und mit der vierten Potenz mit dem Zylinderdurchmesser, der mit dem Durchmesser der Radscheibe 2 und der Deckscheibe 4 übereinstimmt. Zusätzlich treten in seitlichen Kavitäten 8, 9, die zwischen der Innenseite des Gehäuses 5 und Außenseiten der Radscheibe 2 und der
Deckscheibe 4 gebildet sind, Scheibenreibungsverluste auf. Das Verhältnis der Zylinderreibungsverluste zu den
Scheibenreibungsverlusten beträgt abhängig von Länge und Rauigkeit der Zylinderflächen etwa 0,05 - 0,15. Mit kleiner werdenden spezifischen Durchflüssen einer Verdichterstufe steigt der Anteil der Radreibungsverluste, die sowohl
Scheibenreibungsverluste als auch Zylinderreibungsverluste umfassen, an dem Gesamtverlust zunehmend an. Wenn
beispielsweise bei einer Stufe die Radreibungsverluste etwa 10 % Wirkungsgradverlust ausmachen, beträgt alleine der
Wirkungsgradverlust durch Zylinderreibung etwa 0,5 % bis 1,5 o
o ·
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Radialverdichterlaufrad anzugeben, bei dem Reibungsverluste verringert sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem
Radialverdichterlaufrad der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckscheibe und die Radscheibe an ihrem Außenumfang jeweils eine Kegelfläche aufweisen, deren Durchmesser sich ausgehend von dem
Zwischenraum in Axialrichtung verringert.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Rad- und
Deckscheiben, die anstelle der herkömmlicherweise
vorgesehenen Zylinderflächen am Außenumfang Kegelflächen aufweisen, sich durch geringere Reibungsverluste auszeichnen. Insbesondere bei Verdichterstufen mit sehr kleinen spezifischen Durchflüssen, beispielsweise für
Hochdruckanwendungen, ergibt sich dadurch eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads. Die Kegelflächen sind dabei so ausgerichtet, dass sich der Durchmesser von Deckscheibe und Radscheibe in Axialrichtung von innen nach außen verringert. Deckscheibe und Radscheibe weisen somit jeweils einen maximalen Durchmesser an ihren Innenseiten, d. h. im Bereich des Zwischenraums, auf. Bezogen auf eine gedachte Mittellinie zwischen Radscheibe und
Deckscheibe verringert sich der Durchmesser der Kegelflächen in Axialrichtung bis auf einen minimalen Durchmesser an einer von der Mittellinie axial beabstandeten Position. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die axiale
Erstreckung der Kegelflächen näherungsweise ein Drittel der Breite der Deckscheibe bzw. der Radscheibe im Bereich der Laufradnabe beträgt. Die Dicke bzw. Breite von Deckscheibe und Radscheibe im Bereich der Nabe dient dabei als
Referenzgröße, die Kegelflächen erstrecken sich etwa über ein Drittel der Gesamtdicke in Axialrichtung.
Die Kegelflächen des erfindungsgemäßen
Radialverdichterlaufrads schließen mit der Drehachse etwa einen Winkel zwischen 15° und 30° ein. Je größer der Winkel, desto größer ist die zu erwartende Reduzierung der
Reibungsverluste .
Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, dass die
Radscheibe und/oder die Deckscheibe einen äußeren Abschnitt mit verringerter Dicke aufweist bzw. aufweisen. Zusätzlich zu den erfindungsgemäß vorgesehenen Kegelflächen ist bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad vorzugsweise auch deren Dicke in dem äußeren Abschnitt verringert. Die
Verringerung der Dicke bewirkt ebenfalls eine messbare
Reduzierung der Reibungsverluste. Bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad kann es vorgesehen sein, dass der oder die äußeren Abschnitte mit verringerter Dicke konisch ausgebildet ist bzw. sind. Eine konische Form des bzw. der äußeren Abschnitte der Radscheibe und/oder der Deckscheibe ist im Hinblick auf eine spanende Fertigung vorteilhaft. Der halbe Konuswinkel kann dabei zwischen 10° und 20° liegen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Radscheibe und/oder der Deckscheibe am Außenumfang näherungsweise auf ein Drittel der Dicke im Bereich der Laufradnabe reduziert ist. Dementsprechend weisen Radscheibe und/oder Deckscheibe eine in Axialrichtung reduzierte Dicke auf. Vorzugsweise ist sowohl die Radscheibe als auch die Deckscheibe verjüngt, jedoch führt auch eine verjüngte
Ausgestaltung einer Scheibe zu einer Reduzierung von
Reibungsverlusten .
Eine ganz besonders günstige Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Radverdichterlaufrads ergibt sich, wenn sich der äußere Abschnitt mit verringerter Dicke
näherungsweise von 80 % des Durchmessers der Radscheibe und/oder der Deckscheibe bis zum äußeren Ende erstreckt.
Dementsprechend können die innersten 80 % des Durchmessers eine nicht modifizierte, d. h. beispielsweise konstante Breite (Dicke in Axialrichtung) aufweisen, wohingegen die verringerte Dicke im Bereich der äußeren 20 % des
Durchmessers ausgebildet ist. Vorzugsweise erfolgt die
Verringerung der Dicke mittels der Kegelflächen, d. h.
stetig. Grundsätzlich können die Kegelflächen jedoch auch anders geformt sein, beispielsweise leicht gewölbt oder profiliert .
Eine weitere Verringerung unerwünschter Reibung kann dadurch erzielt werden, dass zumindest der äußere Abschnitt mit verringerter Dicke eine verringerte Rauigkeit aufweist. Eine verringerte Rauigkeit kann durch eine entsprechende
Oberflächenbearbeitung erzielt werden, beispielsweise durch Schleifen, Honen, Polieren oder Läppen. Erfindungsgemäß wird es auch bevorzugt, dass die Radscheibe frei von Aufdickungen ist. Bei herkömmlichen Radscheiben sind zumeist an deren Außenseite Aufdickungen vorgesehen, wodurch eine sogenannte Wuchtnut gebildet wird. Beim Auswuchten des Radialverdichterlaufrads werden diese Aufdickungen lokal abgeschliffen. Da diese Aufdickungen die Strömung stören, ist es vorteilhaft, die Radscheibe frei von derartigen
Aufdickungen auszubilden. Daneben betrifft die Erfindung einen Radialverdichter, der ein Radialverdichterlaufrad der beschriebenen Art aufweist, das in einem Gehäuse aufgenommen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische
Darstellungen und zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Ansicht eines herkömmlichen
Radialverdichterlaufrads ; und
Fig. 2 eine geschnittene Ansicht eines Details eines
erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads . Die geschnittene Ansicht von Fig. 2 zeigt einen Teil eines Radialverdichterlaufrads 10, das grundsätzlich wie das herkömmliche Radialverdichterlaufrad 1, das in Fig. 1 gezeigt ist, aufgebaut ist. Zwischen einer Radscheibe 11 und einer Deckscheibe 12 ist ein Zwischenraum 13 gebildet, in dem sich Schaufeln (nicht gezeigt) befinden.
Anders als bei dem in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen
Radialverdichterlaufrad 1 weist das in Fig. 2 gezeigte
Radialverdichterlaufrad 10 am Außenumfang der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12 jeweils eine Kegelfläche 14, 15 auf, deren Durchmesser sich in Axialrichtung ausgehend von dem Zwischenraum 13 jeweils verringert. Beide Kegelflächen 14, 15 sind somit in entgegengesetzten Richtungen zu der Parallele 16 zur Drehachse geneigt. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel bilden die Kegelflächen 14, 15 mit einer Parallele 16 zur Drehachse am Außenumfang einen Winkel von ca. 15°. Generell kann der Winkel zwischen 15° und 30° betragen. Die Kegelflächen 14, 15 beeinflussen die Strömung in der Kavität zwischen dem Radialverdichterlaufrad 10 und einem die Radscheibe 11 und die Deckscheibe 12 umgebenden Gehäuse (nicht gezeigt) strömungsgünstig, wodurch die
normalerweise an dieser Stelle auftretende Reibung verringert wird. Die Kegelflächen 14, 15 erstrecken sich in diesem
Ausführungsbeispiel über etwa ein Drittel der Breite der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12. Als Bezugsgröße dient dabei die Breite der Deckscheibe und der Radscheibe im
Bereich einer Laufradnabe.
In Fig. 2 erkennt man, dass die Radscheibe 11 und die
Deckscheibe 12 jeweils einen äußeren Abschnitt 17, 18 mit verringerter Dicke aufweisen. Diese äußeren Abschnitte 17, 18 bilden jeweils eine umlaufende Konusfläche. Der Konuswinkel beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 10° er kann jedoch generell auch größer oder kleiner sein. Die äußeren Abschnitte 17, 18 sind so ausgebildet, dass die Dicke der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12 am Außenumfang
näherungsweise auf ein Drittel der Dicke im Bereich der
Laufradnabe reduziert ist. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel erstrecken sich die äußeren Abschnitte 17, 18 mit verringerter Dicke näherungsweise von 80 % des Durchmessers bis zu dem jeweiligen äußeren Ende.
Dementsprechend weisen die Radscheibe 11 und die Deckscheibe 12 über 80 % ihrer Länge in Radialrichtung eine
näherungsweise konstante Dicke auf, auf den äußeren 20 % ist die Dicke hingegen reduziert. In Fig. 2 ist auch sichtbar, dass die Radscheibe 17 keine Aufdickungen oder dergleichen aufweist, wodurch ebenfalls die Strömung in der Kavität zwischen der Radscheibe 11 und dem Gehäuse günstig
beeinflusst wird, so dass geringere Reibungsverluste im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten Radialverdichterlaufrad 1 auftreten.
In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Radialverdichterlaufrad 10 drehbar auf einer Welle gelagert und Bestandteil eines Radialverdichters.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte
Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der
Erfindung zu verlassen.

Claims

Radialverdichterlaufrad (10) mit einer Radscheibe (11), einer damit verbundenen Deckscheibe (12) und einem dazwischen gebildeten, Schaufeln aufweisenden
Zwischenraum (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Deckscheibe (12) und die Radscheibe (11) an ihrem
Außenumfang jeweils eine Kegelfläche (14, 15) aufweisen, deren Durchmesser sich ausgehend von dem Zwischenraum (13) in Axialrichtung verringert.
Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der
Kegelflächen (14, 15) näherungsweise ein Drittel der Breite der Deckscheibe (12) bzw. der Radscheibe (11) im Bereich der Laufradnabe beträgt.
Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelflächen (14, 15) mit einer Parallele (16) zur Drehachse am Außenumfang einen Winkel zwischen 15° und 30° einschließen.
Radialverdichterlaufrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (11) und/oder die Deckscheibe (12) einen äußeren
Abschnitt (17, 18) mit verringerter Dicke aufweist bzw. aufweisen .
Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der oder die äußeren Abschnitte (17, 18) mit verringerter Dicke konisch ausgebildet ist bzw. sind.
Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der halbe Konuswinkel 10° bis 20° beträgt . Radialverdichterlaufrad nach einem der Ansprüche 4 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Radscheibe (11) und/oder der Deckscheibe (12) am Außenumfang näherungsweise auf ein Drittel der Dicke im Bereich der Laufradnabe reduziert ist.
Radialverdichterlaufrad nach einem der Ansprüche 4 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der äußere
Abschnitt (17, 18) mit verringerter Dicke näherungsweise von 80 % des Durchmessers der Radscheibe (11) und/oder der Deckscheibe (12) bis zum äußeren Ende erstreckt.
Radialverdichterlaufrad nach einem der Ansprüche 4 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der äußere Abschnitt (17, 18) mit verringerter Dicke eine
verringerte Rauigkeit aufweist.
Radialverdichterlaufrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheibe (10) frei von Aufdickungen ist.
Radialverdichter, umfassend ein Radialverdichterlaufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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