WO2017129342A1 - Strömungsmaschine mit beschaufeltem diffusor - Google Patents

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WO2017129342A1
WO2017129342A1 PCT/EP2016/082817 EP2016082817W WO2017129342A1 WO 2017129342 A1 WO2017129342 A1 WO 2017129342A1 EP 2016082817 W EP2016082817 W EP 2016082817W WO 2017129342 A1 WO2017129342 A1 WO 2017129342A1
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WO
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diffuser
distance
impeller
turbomachine
axis
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/082817
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nico Petry
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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 Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP16828750.6A priority Critical patent/EP3408503B1/de
Publication of WO2017129342A1 publication Critical patent/WO2017129342A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/045—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector for radial flow machines or engines
    • 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
    • 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
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise
    • F05D2260/961—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise by mistuning rotor blades or stator vanes with irregular interblade spacing, airfoil shape

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine having a rotor wheel, which is rotatably mounted about a rotation axis, and a diffuser, which has a plurality of diffuser blades.
  • Turbomachines having a diffuser are well known in the art.
  • a diffuser is a component that slows fluid flow while increasing fluid pressure. In a turbomachine, a diffuser thus converts kinetic energy of a fluid flowing through the turbomachine into potential energy in the form of pressure.
  • bladed diffusers ie diffusers with diffuser blades
  • uncoated diffusers ie diffusers without such blades
  • An object of the invention is a turbo machine be ⁇ riding determine which can be operated economically. This object is achieved by a turbomachine of the aforementioned type, wherein according to the invention at least one of the Diffusorschaufein is arranged at a first distance from the axis of rotation and at least one other of the
  • Diffuser blade is arranged at a second distance to the axis of rotation.
  • the invention proceeds from the consideration that the higher susceptibility to impeller damage at a flow machine with a bladed diffuser to an interaction between the impeller and the diffuser or on a retroactive the diffuser show fine effect on the impeller returned who can ⁇ .
  • the diffuser vanes When operating a turbomachine with a bladed diffuser, the diffuser vanes may cause pressure fluctuations in the fluid-filled environment of the impeller, which may cause the impeller to vibrate. In particular, it may come to a speed harmonious excitation of the impeller through the diffuser Schauf, in which the impeller is excited at an excitation frequency, the product of the speed of the impeller and the number of
  • the excitation frequency (or one of these excitation frequencies) can be in particular of the order of magnitude of a natural frequency of the impeller.
  • a match of the ⁇ ipposfre frequency (or one of the excitation frequencies) with a natural frequency of the impeller can lead to a resonance, and in particular in particular if a vibration form of such a diffuser-related excitation coincides with an eigen-shape of the impeller.
  • resonance high vibration amplitudes of the impeller may occur which may lead to a fatigue break of the impeller.
  • the excitation intensity may depend, inter alia, on the rotational speed of the impeller, a fluid density and / or a fluid pressure at the inlet of the turbomachine. Especially with a high-pressure compressor, such a diffusion-induced excitation of the impeller can become critical.
  • the invention is based on the recognition that by having at least two of the diffuser blades arranged at different distances from the axis of rotation (i.e., having different distances from the axis of rotation), a less regular interaction between the diffuser blade and the impeller can be achieved. This in turn allows a reduction of the diffuser-induced excitation of the impeller.
  • at least two of the diffuser blades are arranged at different distances from the axis of rotation, in particular an amplitude of the excitation can be reduced and / or the probability of overshooting of an excitation frequency with a natural frequency of the impeller can be reduced.
  • the turbomachine by said arrangement of the diffuser blade in the turbomachine a reduced susceptibility to impeller damage can be achieved. This in turn makes it possible to check the impeller for damage less frequently and / or to replace the impeller less frequently. Consequently, the turbomachine can be operated inexpensively.
  • the turbomachine may be operated (with a vaneless diffuser over a turbomachine) energy efficient by their verbes ⁇ serten efficiency which in addition can contribute to a reduction in operating costs.
  • the invention makes it possible to reduce the excitation potential for wheel vibrations and advantageously to obtain a high efficiency of Strö ⁇ mung machine.
  • the distance of a diffuser blade to the axis of rotation the distance of its leading edge to the axis of rotation can be considered.
  • the edge of the inlet can be understood to mean that edge of the respective diffuser blade which has a fluid inlet of the arrangement of the diffuser blade
  • the leading edge is that edge of the respective
  • the axis of rotation can be a geometric (imaginary) axis. Conveniently, the axis of rotation coincides with the longitudinal direction of a shaft with which the impeller is connected.
  • the diffuser blades are arranged in a ring shape.
  • the diffuser blades may be arranged to form a collar.
  • the diffuser is arranged downstream of the impeller. That is, during operation of the flow ⁇ machine flows a volume element of the Strömungsmaschi ⁇ ne flowing fluid expediently first by the impeller and then by diffuser. Further, it is advantageous if the diffuser is arranged around a circumference of the impeller.
  • the diffuser may be formed, inter alia, by non-rotating ring-shaped walls which preferably connect radially to an outlet of the impeller. Conveniently, the diffuser is spaced by a gap from the impeller. Furthermore, the diffuser vanes can be shaped as desired. For example, the diffuser legs may be planar or curved. Further, the diffuser blades may be profiled. That is, the diffuser blades may have a predetermined profile. Furthermore, the
  • Diffuser bowl optionally adjustable in orientation.
  • the impeller is a radial impeller.
  • the impeller can thus be configured to guide the fluid in the turbomachine radially, in particular radially outwards.
  • the impeller is advantageously equipped with radial impeller blades.
  • the diffuser is a radial diffuser. That is, the diffuser may be configured to guide the fluid in the turbomachine radially, in particular radially outward.
  • the turbomachine can be a semi-axial
  • the Strö ⁇ mung machine is a radial-flow machine.
  • turbomachine is a radial compressor.
  • the diffuser arranged a diffuser blade in Ers ⁇ th distance to the axis of rotation, while the other diffuser blade is arranged at the second distance to the axis of rotation.
  • Diffuser legs of the diffuser can be provided different Ab ⁇ states to the axis of rotation.
  • a predetermined number of Diffusorschaufein can be arranged at the first distance to the axis of rotation. Conveniently, the same number of Diffusorschaufein is arranged at the second distance to the axis of rotation.
  • the diffuser has an even number of diffuser blades.
  • 50% of the Diffusorschaufein are arranged at the first distance to the axis of rotation. Further, it is advantageous if the other 50% of the Diffusorschaufein are arranged at the second distance to the axis of rotation. It can therefore beispielseiwese n diffuser show fine in the first distance from the rotational axis and n diffuser show fine be arranged in the second distance from the axis of rotation, where n responsibly josi ⁇ se is a natural number and 2 * n is the number of diffuser blades.
  • the Diffusorschaufein are arranged alternately with respect to their distance from the axis of rotation.
  • one of the diffuser blades is expediently arranged at the first distance from the axis of rotation.
  • Diffuser blade in the circumferential direction of the diffuser vane arrangement following diffuser vane is expediently arranged at the second distance to the axis of rotation.
  • Diffuser blade arrangement following diffuser blade turn is suitably arranged at the first distance to the axis of rotation ⁇ and so on.
  • Diffuser blades are preferably arranged alternately in the circumferential direction at the first or second distance from the axis of rotation.
  • a diffuser can be achieved so that the back Effect of Diffusorschaufein on the impeller symmetrical, in particular axially symmetrical with respect to the axis of rotation, is. This in turn makes it possible for forces acting in the radial direction on the impeller, which are caused by said reaction, to cancel each other out.
  • the second distance is greater than the first distance. Furthermore, it is expedient if the second Ab ⁇ was at least 5%, especially at least 10%, greater than the first distance.
  • the percentage difference between the first and second distances may be selected depending on, inter alia, the number of diffuser blades, the number of impeller vanes, and / or a nominal impeller speed.
  • the first distance corresponds to at least 0.525 times an exit diameter of the impeller. Since ⁇ through can be accomplished in that said reaction of the diffuser fine show is minimized to the impeller. A smaller amount of the first distance could lead to a unge ⁇ want strong reaction of the diffuser show fine to the impeller. As the exit diameter of the impeller, a diameter of the impeller can be understood at the outlet ⁇ who.
  • the second distance corresponds to at most 0.65 times the exit diameter of the rotor wheel ⁇ .
  • the second distance avoided or at least be redu ⁇ ed.
  • the diffuser blades have a blade overlap (English: blade solidity) of at most 1, in particular of at most 0.7.
  • a diffuser is also referred to as a "low-solubility diffuser.”
  • the ratio of the chord length of the respective Diffuser blade for circumferential division (English:
  • those diffuser show fine, which are arranged in the first distance from the axis of rotation, a different spatial orientation and / or other form aufwei ⁇ sen than those diffuser show fine, which are arranged in the second distance from the axis of rotation.
  • Diffuser be arranged in at least three different distances from the axis of rotation.
  • the turbomachine can be a multi-stage turbomachine. That is, the flow machine may have a plurality of successively arranged wheels, which may be arranged in particular on a common shaft. Furthermore, the turbomachine for each of the wheels may have its own diffuser. Furthermore, each of the diffusers may be configured as described above.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a radial compressor, which has a diffuser with several
  • FIG 2 shows the arrangement of the Diffusorschaufein the radial compressor of FIG 1 in a front view.
  • FIG. 1 shows a radial flow machine 2 in a (ver ⁇ simplified) sectional view.
  • turbomachine 2 is a radial compressor.
  • the turbomachine 2 comprises inter alia a radial impeller 4, which rotatably mounted about a rotation axis 6 is.
  • the impeller 4 has an axial impeller inlet 8 and a radial impeller outlet 10.
  • the impeller 4 comprises a hub 12 and impeller blades 14 protruding radially from the hub 12. Flow channels are formed between the impeller blades 14 and can be flowed through by a fluid. Furthermore, the hub 12 is connected to a shaft, not shown in FIG. 2, of the turbomachine 2.
  • the impeller 4 has a wheel disc 16, which is formed ⁇ part with the hub 12 and the impeller show ⁇ blades 14 interconnects.
  • the impeller 4 is a so-called open impeller, so an impeller without cover plate.
  • the impeller could be a so-called closed impeller 4, that an impeller with a cover plate.
  • the turbomachine 2 comprises a housing 18 in which the impeller 4 is placed. A part of the housing 18 is formed as a spiral housing. That is, the housing 18 has a spiral housing part 20 with a helical cavity 22.
  • the 2 further has an annular flow machine, be ⁇ réelle the axis of rotation 6 axisymmetric diffuser 24, which serves as a hollow chamber or is formed as a channel in the housing 18th
  • the diffuser 24 is arranged around a circumference of the impeller 4 around and is designed as a radial diffuser ⁇ forms.
  • the diffuser 24 opens into the
  • an outlet diameter 26 of the impeller 4 is indicated in the form of a double arrow.
  • the diffuser 24 has a plurality of
  • the diffuser 24 is a bladed diffuser.
  • the diffuser 24 has six diffuser blades 28 (see FIG. 2), of which only two are visible in FIG. In principle, however, the diffuser 24 could also have a different number of Diffusorschaufein 28.
  • the diffuser blades 28 are alternately at a first distance (measured between an entrance edge 30 of the respective diffuser vane 28 and the rotation axis 6) and a second distance (measured between an entrance edge 30 of the respective diffuser vane 28 and the rotation axis 6) to the rotation axis 6 arranged.
  • the two Diffusorschaufein 28 shown in FIG 1 are each arranged at the first distance 32 to the axis of rotation 6.
  • the turbomachine 2 is used for compressing a fluid, such as air.
  • a Strömungsma ⁇ the fluid flows axially through the impeller inlet 8 into the impeller 4 and in the overall by the impeller blades 14 formed flow channels.
  • the fluid is set in rotation by the running ⁇ wheel 4 and leaves the impeller 4 radially outward through the impeller outlet 10th
  • the diffuser 24 converts a portion of the kinetic energy of the fluid into potential energy in the form of pressure and introduces the fluid into the cavity 22 of the
  • FIG. 2 shows an arrangement of the diffuser blade 28 of the turbomachine 2 from FIG. 1 in a front view, wherein the representation is not true to scale.
  • the above-mentioned axis of rotation 6 of the turbomachine 2 runs perpendicular to the plane of the figure 2.
  • FIG. 2 shows the wheel disk 16 of the rotor 4 from FIG. 1.
  • the diffuser 28 are shown as fine show ebe ⁇ ne blades. Basically, the
  • Diffuser blade 28 may be arbitrarily shaped. As previously mentioned, the diffuser vanes 28 are arranged alternately with respect to their spacing from the axis of rotation 6. That is, three of the six Diffusorschaufein 28 are arranged at the first distance 32 to the axis of rotation 6. The remaining three
  • Diffusorschaufein 28 are arranged are arranged at the second distance 34 to the axis of rotation 6.
  • the axis of rotation 6 passes through the common center of both circles.
  • the second distance 34 corresponds to 0.625 times the exit diameter 26 of the impeller 4.
  • the second distance 34 is approximately 10.6% greater than the first distance 32.
  • Diffuser bowl 28 and impeller 4 (compared to a diffuser, whose diffuser vanes are all at the same distance from the axis of rotation). This in turn leads to a Reduction of the diffuser-induced excitation of the impeller 4 (compared to a diffuser, the diffuser are all arranged at the same distance from the axis of rotation). Insbesonde re ⁇ an amplitude of the excitation, and the probability is decreased ness an overruling an excitation frequency with a natural frequency of the impeller. 4

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine (2) mit einem Laufrad (4), welches um eine Drehachse (6) rotierbar gelagert ist, und einem Diffusor (24), der eine Mehrzahl von Diffusorschaufeln (28) aufweist. Damit die Strömungsmaschine (2) kostengünstig betrieben werden kann, wird vorgeschlagen, dass mindestens eine der Diffusorschaufeln (28) in einem ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet ist und mindestens eine andere der Diffusorschaufeln (28) in einem zweiten Abstand (34) zur Drehachse (6) angeordnet ist. Vorteilhafterweise weist der low-solidity Diffusor (24) eine gerade Gesamtzahl von Diffusorschaufel (28) auf, wobei die Hälfte der Diffusorschaufeln (28) in einem ersten Abstand (32) und die zweite Hälfte der Diffusorschaufeln (28) in einem zweiten Abstand (34) bezüglich der Drehachse (6) angeordnet ist. Durch die vorgeschlagene Anordnung wird die diffusorbedingte Anregung von Laufradschwingungen und deren Anregungsamplitude reduziert, was die Gefahr drehzahlharmonischer Anregungen erheblich reduziert. Weiter wird die Gefahr von Laufradbeschädigungen reduziert.

Description

Beschreibung
Strömungsmaschine mit beschaufeitern Diffusor Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Lauf¬ rad, welches um eine Drehachse rotierbar gelagert ist, und einem Diffusor, der eine Mehrzahl von Diffusorschaufein aufweist. Strömungsmaschinen, die einen Diffusor aufweisen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein Diffusor ist ein Bauteil, welches eine Fluidströmung verlangsamt und dabei einen Fluiddruck erhöht. Bei einer Strömungsmaschine wandelt ein Diffusor somit kinetische Energie eines die Strömungsma- schine durchströmenden Fluids in potenzielle Energie in Form von Druck um.
Grundsätzlich wird zwischen beschaufelten Diffusoren, also Diffusoren mit Diffusorschaufein, und unbeschaufelten Diffu- soren, also Diffusoren ohne solche Schaufeln, unterschieden.
Durch den Einsatz eines beschaufelten Diffusors lässt sich bei einer Strömungsmaschine üblicherweise ein höherer Wir¬ kungsgrad erreichen als mit einem unbeschaufelten Diffusor. Ferner können mithilfe eines beschaufelten Diffusors Strö¬ mungsinstabilitäten vermieden oder zumindest reduziert werden, insbesondere im Falle eines Teillastbetriebs der Strö¬ mungsmaschine . Allerdings können Strömungsmaschinen, die einen beschaufelten Diffusor aufweisen, anfälliger für Laufradbeschädigungen sein als Strömungsmaschinen, die einen unbeschaufelten Diffusor aufweisen. Daher kann es erforderlich sein, bei einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor ihr Laufrad häufiger auf Beschädigungen hin zu überprüfen und/oder das
Laufrad häufiger auszutauschen. Folglich können beim Betreiben einer Strömungsmaschine, welche einen beschaufelten Diffusor aufweist, hohe Kosten entstehen. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine be¬ reitzustellen, die kostengünstig betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, bei der erfindungsgemäß mindestens eine der Diffusorschaufein in einem ersten Abstand zur Drehachse angeordnet ist und mindestens eine andere der
Diffusorschaufein in einem zweiten Abstand zur Drehachse an- geordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine sind jeweils Gegenstand abhängiger Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die höhere Anfälligkeit für Laufradbeschädigungen bei einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor auf eine Interaktion zwischen dem Laufrad und dem Diffusor bzw. auf eine Rückwir- kung der Diffusorschaufein auf das Laufrad zurückgeführt wer¬ den kann.
Beim Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem beschaufelten Diffusor können die Diffusorschaufein Druckschwankungen in der fluidgefüllten Umgebung des Laufrads hervorrufen, welche das Laufrad zu Schwingungen anregen können. Es kann insbesondere zu einer drehzahlharmonischen Anregung des Laufrads durch die Diffusorschaufein kommen, bei welcher das Laufrad mit einer Anregungsfrequenz angeregt wird, die dem Produkt aus der Drehzahl des Laufrads und der Anzahl der
Diffusorschaufein bzw. einem ganzzahligen Vielfachen dieses Produkts entspricht.
Die Anregungsfrequenz (bzw. eine dieser Anregungsfrequenzen) kann insbesondere in der Größenordnung einer Eigenfrequenz des Laufrads liegen. Eine Übereinstimmung der Anregungsfre¬ quenz (bzw. einer der Anregungsfrequenzen) mit einer Eigenfrequenz des Laufrads kann zu einer Resonanz führen, insbe- sondere falls eine Schwingungsform einer solchen diffusor- bedingten Anregung mit einer Eigenform des Laufrads übereinstimmt. Im Resonanzfall können hohe Schwingungsamplituden des Laufrads auftreten, die unter Umständen zu einem Ermüdungs- bruch des Laufrads führen.
Die Anregungsintensität kann unter anderem von der Drehzahl des Laufrads, einer Fluiddichte und/oder einem Fluiddruck am Eintritt der Strömungsmaschine abhängig sein. Insbesondere bei einem Hochdruckverdichter kann eine solche diffusor- bedingte Anregung des Laufrads kritisch werden.
Weiter beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass dadurch, dass mindestens zwei der Diffusorschaufein in unterschiedli- chen Abständen zur Drehachse angeordnet sind (d.h. unterschiedliche Abstände zur Drehachse aufweisen) , eine weniger regelmäßige Interaktion zwischen den Diffusorschaufein und dem Laufrad erreicht werden kann. Dies wiederum ermöglicht eine Reduzierung der diffusorbedingten Anregung des Laufrads. Dadurch, dass mindestens zwei der Diffusorschaufein in unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordnet sind, kann insbesondere eine Amplitude der Anregung verringert werden und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Überstimmung einer Anregungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz des Laufrads verrin- gert werden.
Somit kann durch besagte Anordnung der Diffusorschaufein bei der Strömungsmaschine eine verringerte Anfälligkeit für eine Laufradbeschädigung erreicht werden. Dies wiederum ermög- licht, dass das Laufrad seltener auf Beschädigungen hin überprüft und/oder das Laufrad seltener ausgetauscht werden muss. Folglich kann die Strömungsmaschine kostengünstig betrieben werden . Darüber hinaus kann die Strömungsmaschine durch ihren verbes¬ serten Wirkungsgrad (gegenüber einer Strömungsmaschine mit einem unbeschaufelten Diffusor) energieeffizient betrieben werden, was zusätzlich zu einer Verringerung der Betriebskosten beitragen kann.
Anders ausgedrückt, die Erfindung ermöglicht es, das Anre- gungspotential für Laufradschwingungen zu reduzieren und dabei vorteilhafterweise einen hohen Wirkungsgrad der Strö¬ mungsmaschine zu erhalten.
Als Abstand einer Diffusorschaufel zur Drehachse kann die Entfernung ihrer Eintrittskante zu der Drehachse aufgefasst werden. Unter der Eintrittskante wiederum kann diejenige Kante der jeweiligen Diffusorschaufel verstanden werden, welche einen Fliudeinlass der Anordnung der Diffusorschaufein
(Diffusorschaufelanordnung) begrenzt. Zweckmäßigerweise ist die Eintrittskante diejenige Kante der jeweiligen
Diffusorschaufel , die dem Laufrad am nächsten ist.
Die Drehachse kann eine geometrische (gedachte) Achse sein. Zweckmäßigerweise fällt die Drehachse mit der Längsrichtung einer Welle zusammen, mit welcher das Laufrad verbunden ist.
Vorzugsweise sind die Diffusorschaufein kranzförmig angeordnet. Anders ausgedrückt, die Diffusorschaufein können derart angeordnet sein, dass sie einen Kranz ausbilden.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Diffusor stromabwärts des Laufrads angeordnet ist. Das heißt, im Betrieb der Strömungs¬ maschine strömt ein Volumenelement eines die Strömungsmaschi¬ ne durchströmenden Fluids zweckmäßigerweise erst durch das Laufrad und danach durch Diffusor. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Diffusor um einen Umfang des Laufrads herum angeordnet ist.
Der Diffusor kann unter anderem durch nicht rotierende ring- förmige Wände gebildet sein, welche sich vorzugsweise radial an einen Austritt des Laufrads anschließen. Zweckmäßigerweise ist der Diffusor durch einen Spalt vom Laufrad beabstandet. Des Weiteren können die Diffusorschaufein beliebig geformt sein. So können die Diffusorschaufein beispielsweise eben oder gekrümmt sein. Ferner können die Diffusorschaufein profiliert sein. Das heißt, die Diffusorschaufein können ein vorgegebenes Profil aufweisen. Weiterhin sind die
Diffusorschaufein optionalerweise hinsichtlich ihrer Ausrichtung verstellbar.
In bevorzugter Weise ist das Laufrad ein radiales Laufrad. Das Laufrad kann also dazu eingerichtet sein, das Fluid in der Strömungsmaschine radial, insbesondere radial nach außen, zu führen. Zu diesem Zweck ist das Laufrad vorteilhafterweise mit radialen Laufradschaufeln ausgestattet. Weiter ist es bevorzugt, wenn der Diffusor ein Radialdiffusor ist. Das heißt, der Diffusor kann dazu eingerichtet sein, das Fluid in der Strömungsmaschine radial, insbesondere radial nach außen, zu führen. Die Strömungsmaschine kann unter anderem eine halbaxiale
Strömungsmaschine sein. In bevorzugter Weise ist die Strö¬ mungsmaschine eine radiale Strömungsmaschine.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Strömungsmaschine ein Radialverdichter ist.
Richtungsbezeichnungen, wie z.B. „radial", „axial" und/oder „halbaxial", können gemäß dem üblichen Verständnis bezüglich der zuvor erwähnten Drehachse verstanden werden.
Vorteilhafterweise ist von zwei benachbarten
Diffusorschaufein des Diffusors eine Diffusorschaufel im ers¬ ten Abstand zur Drehachse angeordnet, während die andere Diffusorschaufel im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet ist. Anders ausgedrückt, bei zwei benachbarten
Diffusorschaufein des Diffusors können unterschiedliche Ab¬ stände zur Drehachse vorgesehen sein. Eine vorgegebene Anzahl der Diffusorschaufein kann im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist die gleiche Anzahl der Diffusorschaufein im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Diffusor eine gerade Anzahl von Diffusorschaufein aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind 50% der Diffusorschaufein im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die anderen 50% der Diffusorschaufein im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet sind . Es können also beispielseiwese n Diffusorschaufein in erstem Abstand zur Drehachse und n Diffusorschaufein in zweitem Abstand zur Drehachse angeordnet sein, wobei n zweckmäßigerwei¬ se eine natürliche Zahl ist und 2*n die Anzahl der Diffusor- schaufeln ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Diffusorschaufein hinsichtlich ihres Abstands zur Drehachse alternierend angeordnet. Bei einer solchen alternierenden Anordnung ist eine der Diffusorschaufein zweckmäßigerweise im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet. Die auf diese
Diffusorschaufel in Umfangsrichtung der Diffusorschaufel- Anordnung folgende Diffusorschaufel ist zweckmäßigerweise im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet. Die auf letztge¬ nannte Diffusorschaufel in Umfangsrichtung der
Diffusorschaufel-Anordnung folgende Diffusorschaufel wiederum ist zweckmäßigerweise im ersten Abstand zur Drehachse ange¬ ordnet und so weiter. Anders ausgedrückt, die
Diffusorschaufein sind in Umfangsrichtung vorzugsweise wechselweise im ersten bzw. zweiten Abstand zur Drehachse ange- ordnet.
Mittels einer solchen alternierenden Anordnung der
Diffusorschaufein kann z.B. erreicht werden, dass die Rück- Wirkung der Diffusorschaufein auf das Laufrad symmetrisch, insbesondere axialsymmetrisch bezüglich der Drehachse, ist. Dies wiederum ermöglicht, dass auf das Laufrad in radialer Richtung wirkende Kräfte, die durch besagte Rückwirkung be- dingt sind, sich gegenseitig aufheben.
Zweckmäßigerweise ist der zweite Abstand größer als der erste Abstand. Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn der zweite Ab¬ stand mindestens 5%, insbesondere mindestens 10%, größer ist als der erste Abstand. Der prozentuale Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand kann unter anderem in Abhängigkeit von der Anzahl der Diffusorschaufein, der Anzahl der Laufradschaufeln und/oder einer Nenndrehzahl des Laufrads gewählt sein.
Vorzugsweise entspricht der erste Abstand mindestens dem 0,525-fachen eines Austrittsdurchmessers des Laufrads. Da¬ durch kann erreicht werden, dass besagte Rückwirkung der Diffusorschaufein auf das Laufrad gering gehalten wird. Ein kleinerer Betrag des ersten Abstands könnte zu einer unge¬ wollt starken Rückwirkung der Diffusorschaufein auf das Laufrad führen. Als Austrittsdurchmessers des Laufrads kann ein Durchmesser des Laufrads an dessen Austritt aufgefasst wer¬ den .
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der zweite Abstand höchstens dem 0,65-fachen des Austrittsdurchmessers des Lauf¬ rads entspricht. Auf diese Weise kann einer Wirkungsgradver¬ schlechterung des Diffusors - bedingt durch einen großen Be- trag des zweiten Abstands - vermieden oder zumindest redu¬ ziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Diffusorschaufein eine Schaufelüberdeckung (eng- lisch: blade solidity) von höchstens 1, insbesondere von höchstens 0,7, auf. Ein solcher Diffusor wird auch als „Low Solidity Diffuser" bezeichnet. Als Schaufelüberdeckung kann das Verhältnis der Profilsehnenlänge der jeweiligen Diffusorschaufel zur Umfangsteilung (englisch:
circumferential pitch) der Diffusorschaufelanordnung aufge- fasst werden. Mit einem solchen Diffusor lässt sich ein guter Wirkungsgrad der Strömungsmaschine auch dann erreichen, wenn die Strömungsmaschine nicht in ihrem Auslegungspunkt betrie¬ ben wird.
Es kann vorgesehen sein, dass diejenigen Diffusorschaufein, die im ersten Abstand zur Drehachse angeordnet sind, eine an- dere räumliche Ausrichtung und/oder eine andere Form aufwei¬ sen als diejenigen Diffusorschaufein, die im zweiten Abstand zur Drehachse angeordnet sind.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die
Diffusorschaufein in mindestens drei unterschiedlichen Abständen zur Drehachse angeordnet sind.
Des Weiteren kann die Strömungsmaschine eine mehrstufige Strömungsmaschine sein. Das heißt, die Strömungsmaschine kann mehrere hintereinander angeordnete Laufräder aufweisen, welche insbesondere an einer gemeinsamen Welle angeordnet sein können. Ferner kann die Strömungsmaschine für jedes der Lauf- räder einen eigenen Diffusor aufweisen. Weiterhin kann jeder der Diffusoren wie zuvor beschrieben ausgestaltet sein.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammenge- fasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweck- mäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weite¬ ren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine kombinierbar. Ferner sind Verfahrensmerkmale, gegenständlich formuliert, auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit zu sehen. Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je- weilige Zahlwort eingeschränkt sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Das Ausführungsbeispiel dient der Er¬ läuterung der Erfindung und beschränkt die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale des Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im Weiteren näher erläutert wird.
Es zeigen: FIG 1 eine Schnittdarstellung eines Radialverdichters, welcher einen Diffusor mit mehreren
Diffusorschaufein aufweist;
FIG 2 die Anordnung der Diffusorschaufein des Radialver- dichters aus FIG 1 in einer Frontalansicht.
FIG 1 zeigt eine radiale Strömungsmaschine 2 in einer (ver¬ einfachten) Schnittdarstellung. Bei der dargestellten Strömungsmaschine 2 handelt es sich um einen Radialverdichter.
Die Strömungsmaschine 2 umfasst unter anderem ein radiales Laufrad 4, welches um eine Drehachse 6 rotierbar gelagert ist. Das Laufrad 4 weist einen axialen Laufradeinlass 8 sowie einen radialen Laufradauslass 10 auf.
Darüber hinaus umfasst das Laufrad 4 eine Nabe 12 sowie radi- al von der Nabe 12 abstehende Laufradschaufeln 14. Zwischen den Laufradschaufeln 14 sind Strömungskanäle ausgebildet, welche von einem Fluid durchströmbar sind. Des Weiteren ist die Nabe 12 mit einer figürlich nicht dargestellten Welle der Strömungsmaschine 2 verbunden.
Außerdem weist das Laufrad 4 eine Radscheibe 16 auf, die ein¬ teilig mit der Nabe 12 ausgebildet ist und die Laufradschau¬ feln 14 miteinander verbindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Laufrad 4 ein sogenanntes offenes Laufrad, also ein Laufrad ohne Deckscheibe. In einer alternativen (fi¬ gürlich nicht dargestellten) Ausführungsform könnte das Laufrad 4 ein sogenanntes geschlossenes Laufrad sein, also ein Laufrad mit einer Deckscheibe. Weiterhin umfasst die Strömungsmaschine 2 ein Gehäuse 18, in welchem das Laufrad 4 platziert ist. Ein Teil des Gehäuses 18 ist als Spiralgehäuse ausgebildet. Das heißt, das Gehäuse 18 weist einen Spiralgehäuseteil 20 mit einem spiralförmigen Hohlraum 22 auf.
Ferner weist die Strömungsmaschine 2 einen ringförmigen, be¬ züglich der Drehachse 6 axialsymmetrischen Diffusor 24 auf, welcher als eine Hohlkammer bzw. als ein Kanal im Gehäuse 18 ausgebildet ist. Der Diffusor 24 ist um einen Umfang des Laufrads 4 herum angeordnet und ist als Radialdiffusor ausge¬ bildet. Außerdem mündet der Diffusor 24 in den
Spiralgehäuseteil 20 bzw. in dessen Hohlraum 22.
Darüber hinaus ist in FIG 1 ein Austrittsdurchmesser 26 des Laufrads 4 in Form eines Doppelpfeils kenntlich gemacht.
Des Weiteren weist der Diffusor 24 eine Mehrzahl von
Diffusorschaufein 28 auf. Das heißt, der Diffusor 24 ist ein beschaufelter Diffusor. Im vorliegenden Ausführungsbespiel weist der Diffusor 24 sechs Diffusorschaufein 28 auf (vgl. FIG 2), von denen in FIG 1 lediglich zwei erkennbar sind. Grundsätzlich könnte der Diffusor 24 aber auch eine andere Anzahl von Diffusorschaufein 28 aufweisen.
Außerdem sind die Diffusorschaufein 28 alternierend in einem ersten Abstand (gemessen zwischen einer Eintrittskante 30 der jeweiligen Diffusorschaufel 28 und der Drehachse 6) bzw. ei- nem zweiten Abstand (gemessen zwischen einer Eintrittskante 30 der jeweiligen Diffusorschaufel 28 und der Drehachse 6) zur Drehachse 6 angeordnet. Die beiden in FIG 1 dargestellten Diffusorschaufein 28 sind jeweils im ersten Abstand 32 zur Drehachse 6 angeordnet.
Die Strömungsmaschine 2 wird zum Verdichten eines Fluids, wie z.B. Luft, eingesetzt. Während des Betriebs der Strömungsma¬ schine 2 strömt das Fluid axial durch den Laufradeinlass 8 in das Laufrad 4 bzw. in die durch die Laufradschaufeln 14 ge- bildeten Strömungskanäle ein. Das Fluid wird durch das Lauf¬ rad 4 in Rotation versetzt und verlässt das Laufrad 4 radial nach außen durch den Laufradauslass 10.
Von dort strömt das aus dem Laufrad 4 austretende Fluid in den Diffusor 24. Der Diffusor 24 wandelt einen Teil der kinetischen Energie des Fluids in potenzielle Energie in Form von Druck um und führt das Fluid in den Hohlraum 22 des
Spiralgehäuseteils 20. FIG 2 zeigt eine Anordnung der Diffusorschaufein 28 der Strömungsmaschine 2 aus FIG 1 in einer Frontalansicht, wobei die Darstellung nicht maßstabsgetreu ist. Die zuvor erwähnte Drehachse 6 der Strömungsmaschine 2 verläuft senkrecht zur Zeichenebene der FIG 2.
Darüber hinaus zeigt FIG 2 die Radscheibe 16 des Laufrads 4 aus FIG 1. Der Einfachheit halber sind die Diffusorschaufein 28 als ebe¬ ne Schaufeln dargestellt. Grundsätzlich können die
Diffusorschaufein 28 beliebig geformt sein. Wie zuvor erwähnt sind die Diffusorschaufein 28 hinsichtlich ihres Abstands zur Drehachse 6 alternierend angeordnet. Das heißt, drei der sechs Diffusorschaufein 28 sind im ersten Abstand 32 zur Drehachse 6 angeordnet. Die übrigen drei
Diffusorschaufein 6, die jeweils in Umfangsrichtung 36 der Diffusorschaufel-Anordnung zwischen zweien dieser drei
Diffusorschaufein 28 angeordnet sind, sind im zweiten Abstand 34 zur Drehachse 6 angeordnet.
Die erstgenannten drei Diffusorschaufein 28 berühren mit ih- rer jeweiligen Eintrittskante 30 einen (gedachten) Kreis, dessen Radius dem ersten Abstand 32 entspricht. Die anderen drei Diffusorschaufein 28 hingegen berühren mit ihrer jeweiligen Eintrittskante 30 einen (gedachten) Kreis, dessen Radi¬ us dem zweiten Abstand 34 entspricht. Die Drehachse 6 ver- läuft durch den gemeinsamen Mittelpunkt beider Kreise.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der erste Ab¬ stand 32 dem 0,565-fachen des Austrittsdurchmessers 26 des Laufrads 4, während der zweite Abstand 34 dem 0,625-fachen des Austrittsdurchmessers 26 des Laufrads 4 entspricht. Somit ist der zweite Abstand 34 im vorliegenden Ausführungsbespiel circa 10,6% größer als der erste Abstand 32.
Beim Betrieb der Strömungsmaschine 2 führen die
Diffusorschaufein 28 zu Druckschwankungen in der fluidgefüll- ten Umgebung des Laufrads 4, welche das Laufrad 4 zu Schwin¬ gungen anregen.
Die zuvor beschriebene Anordnung der Diffusorschaufein 28 be- wirkt eine weniger regelmäßige Interaktion zwischen den
Diffusorschaufein 28 und dem Laufrad 4 (verglichen mit einem Diffusor, dessen Diffusorschaufein alle in demselben Abstand zur Drehachse angeordnet sind) . Dies wiederum führt zu einer Reduzierung der diffusorbedingten Anregung des Laufrads 4 (gegenüber einem Diffusor, dessen Diffusorschaufein alle in demselben Abstand zur Drehachse angeordnet sind) . Insbesonde¬ re wird eine Amplitude der Anregung sowie die Wahrscheinlich- keit einer Überstimmung einer Anregungsfrequenz mit einer Eigenfrequenz des Laufrads 4 verringert.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das offenbarte Beispiel einge¬ schränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Strömungsmaschine (2) mit einem Laufrad (4),
welches um eine Drehachse (6) rotierbar gelagert ist, und einem Diffusor (24), der eine Mehrzahl von
Diffusorschaufein (28) aufweist, wobei
mindestens eine der Diffusorschaufein (28) in einem ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet ist und mindes¬ tens eine andere der Diffusorschaufein (28) in einem zwei- ten Abstand (34) zur Drehachse (6) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine vorgegebene Anzahl der Diffusorschaufein (28) im ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet ist, die gleiche Anzahl der Diffusorschaufein (28) im zweiten Ab- stand (34) zur Drehachse (6) angeordnet ist und die
Diffusorschaufein (28) in Umfangsrichtung (36) der
Diffusorschaufel-Anordnung wechselweise im ersten Abstand (32) bzw. zweiten Abstand (34) zur Drehachse (6) angeordnet sind .
2. Strömungsmaschine (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Laufrad (4) ein radiales Laufrad ist und der Diffusor (24) ein Radialdiffusor ist.
3. Strömungsmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Strömungsmaschine (2) ein Radialverdichter ist.
4. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
von zwei benachbarten Diffusorschaufein (28) des Diffusors (24) eine Diffusorschaufel (28) im ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet ist und die andere
Diffusorschaufel (28) im zweiten Abstand (34) zur Drehachse (6) angeordnet ist.
5. Strömungsmaschine (2) nach em der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (24) eine gerade Anzahl von Diffusorschaufein (28) aufweist.
6. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
50% der Diffusorschaufein (28) im ersten Abstand (32) zur Drehachse (6) angeordnet sind und die anderen 50% der Diffusorschaufein (28) im zweiten Abstand (34) zur Drehach se (6) angeordnet sind.
7. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Abstand (34) mindestens 5%, insbesondere mindes tens 10%, größer ist als der erste Abstand (32) .
8. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Abstand (32) mindestens dem 0,525-fachen eines Austrittsdurchmessers (26) des Laufrads (4) entspricht.
9. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Abstand (34) höchstens dem 0,65-fachen eines
Austrittsdurchmessers (26) des Laufrads (4) entspricht.
10. Strömungsmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Diffusorschaufein (28) eine Schaufelüberdeckung von höchstens 1, insbesondere von höchstens 0,7, aufweisen.
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