WO2018036958A1 - Laufrad, verfahren zur fertigung - Google Patents

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Jörg Paul HARTMANN
Nico Petry
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    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to impellers of radial turbocompressors intended for rotation about an axis, comprising:
  • blades delimit flow channels in the circumferential direction
  • blades each have an outlet edge in the region of the outlet
  • the wheel disc and / or the cover disc extend radially up to a maximum diameter of the impeller.
  • Such wheels are well known in the art and are installed in radial turbo compressors as standard. Examples are PCT / EP2013 / 053304,
  • the delivery height of a radial turbocompressor depends inter alia on the fluidic design of the impeller or the impellers - in other words: the geometric design of the impeller, in particular the flow channels, which are defined by the blades, the wheel disc and the cover plate, is crucial for the delivery height of the Ver ⁇ poet or the contribution of the respective impeller to the delivery height.
  • Fluidic losses such as unwanted secondary flows and pressure losses, for example due to undesired turbulences, regularly lead to a reduction of the delivery head, because the corresponding portions of the drive power do not serve to achieve the thermodynamic target, but are lost as power loss.
  • the invention has set itself the task of achieving effect ⁇ degree of an impeller of the type defined to verbes ⁇ fibers and accordingly the same energy input per time improved head.
  • inventive solution of the problem provides a design of the impeller according to claim 1. Furthermore, an inventive manufacturing method according to claim 2 is proposed for the production of an impeller according to the invention.
  • Blades of an impeller according to the invention usually have different pressure levels on both sides. On the so-called pressure side pointing in the direction of rotation, the pressure is higher than on the opposite suction side. At the trailing edge or trailing edge of the blades, this tends
  • Process fluid therefore always to flow from the pressure side to the suction side to compensate for the pressure difference. Since the flow of the process fluid tries to follow the trailing edge as much as possible, the process fluid is locally strongly deflected or accelerated so that a pressure drop occurs in the region of this strong deflection. The static pressure lowers there so far that there the pressure is even lower than in the downstream of the impeller and so in the Impeller side. Accordingly, there is an inflow of process fluid from the Radrete keynote in areas of the blade outlet edges on the wheel disc or cover disk. The so-aspirated fluid interacts with the flow exiting the impeller so that it comes to rolling up vortexes that detach from the trailing edge and partially obstruct the flow channel. This obstruction works upstream into the impeller and results in a flatter one
  • the invention has recognized the phenomenon described above as a disadvantage of conventional machines and eliminates this by the inventive diameter ratio between maximum diameter of the wheel disc or cover disc (in particular ⁇ wheel disc and cover plate have substantially the same maximum outer diameter) and the maximum exit edge radius blades.
  • the outlet edges of the blades are set back relative to the maximum impeller diameter in the region of the wheel disk or cover disk such that the blade outlet diameter is between 99% and 99.8% of the diameter of the wheel disk or cover disk.
  • the blade of the outlet edges diameter between 0.2% and 1% with respect to the outer diameter of the wheel disc and the cover disc is related to set back or edited, in particular turned in the invention shown SEN method for producing the impeller..
  • the static pressure at the radial position which corresponds to the outer diameter of the wheel disk and the cover disk, in Axial direction and circumferential direction already almost balanced or significantly more uniform than without the inventive turning out of the blades. This is because the pressure sink in the region of the blade trailing edge or trailing edge only exists in the immediate vicinity of the surface due to the deflection of the flow fluid for pressure equalization between the suction side and the pressure side.
  • Figure 1 is a schematic representation of an axial longitudinal section through ⁇ an inventive impeller
  • FIG. 2 shows a detail of FIG. 1 according to II
  • Figure 3 is a schematic flow diagram of the invention shown SEN method.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an axial
  • the impeller IMP is shrunk on the shaft SH by means of a wheel disc HWE, which has a concentric shrink fit. Furthermore, the impeller IMP blades BLA and a cover plate CWE. The blades BLA separate individual flow channels FCH in the circumferential direction of each other.
  • the blades are BLA as a connecting link between the wheel disc HWE and the ceiling plate CWE on both firmly placed ⁇ .
  • BLA the blades are preferably milled from a solid component, wherein the wheel disc and the acting HWE ⁇ feln BLA preferably originate from the same solid blank GRE.
  • the cover plate CWE can either, with the appropriate production technology possibility, also come from the same blank GRE or, alternatively, be manufactured as a separate component and then attached to the radial outer edges of the blades. The attachment is then preferably by welding.
  • the blades BLA extend outward from an entry edge LEE to an exit edge TEE along the deflection from a substantially axial flow direction into a substantially radial flow direction.
  • the impeller IMP is surrounded by a stationary housing CAS, over initiates the impeller IMP flowing through process fluid in a subsequent sequent ⁇ diffuser DFF in the region of the exit of the impeller EXT IMP.
  • the wheel disc HWE or cover slip ⁇ BE CWE by 0.2% to 1% larger diameter, so that the respective maximum radius MRAD of the exit edges TEE of the blades BLA has a radius which is smaller by 0.1% to 0.5% of the maximum diameter of the wheel disc HWE or cover disc CWE.
  • the invention provides that the exit edges TEE is set back by 0.2% to 1% of the maximum diameter MDIA by a diameter difference DBW in relation to the maximum diameter MDIA of the wheel disk HWE or cover disk CWE.
  • FIG. 3 shows schematically the manufacturing process of a procedural ⁇ rens for manufacturing an impeller IMP according to the invention.
  • a step a) a blank GRE is provided.
  • the manufacture of an impeller IMP from the blank GRE takes place.
  • the impeller IMP from step b) is subjected to a post-processing, preferably a turning operation, in which the exit edges TEE of the blades BLA are shortened according to the invention in diameter with respect to the wheel disk HWE or the cover disk CWE.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad (IMP) eines Radialturboverdichters (RTC) zur Rotation um eine Achse (X) umfassend: ein im wesentlichen axialen Laufradeintritt, ein im wesentlichen radialen Laufradaustritt (INL), eine im wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT), eine Radscheibe (HWE), eine Deckscheibe (CWE), zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordnete Schaufeln (BLA), wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanäle (FCH) voneinander abgrenzen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Eintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradaustritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen, wobei die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser (MDIA) des Laufrads (IMP) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA) gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen.

Description

Beschreibung
Laufrad, Verfahren zur Fertigung Die Erfindung betrifft Laufräder von Radialturboverdichtern vorgesehen zur Rotation um eine Achse umfassend:
- einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt,
- einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt,
- eine Radscheibe,
- eine Deckscheibe,
- zwischen Radscheibe und Deckscheibe angeordnete Schaufeln,
- wobei die Schaufeln in Umfangsrichtung Strömungskanäle voneinander abgrenzen,
- wobei die Schaufeln im Bereich des Eintritts jeweils eine Eintrittskante aufweisen,
- wobei die Schaufeln im Bereich des Austritts jeweils eine Austrittskante aufweisen,
- wobei die Radscheibe und/oder die Deckscheibe sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser des Laufrads erstrecken.
Derartige Laufräder sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden bei Radialturboverdichtern als Standard verbaut. Beispiele hierfür sind PCT/EP2013/053304,
PCT/EP2013/062998, PCT/EP2015 / 069724 , PCT/EP2015/072208. Die Förderhöhe eines Radialturboverdichters ist unter anderem von der strömungstechnischen Ausgestaltung des Laufrades oder der Laufräder abhängig - mit anderen Worten: die geometrische Gestaltung des Laufrades, insbesondere der Strömungskanäle, die von den Schaufeln, der Radscheibe und der Deckscheibe defi- niert werden, ist entscheidend für die Förderhöhe des Ver¬ dichters bzw. des Beitrags des jeweiligen Laufrades zu der Förderhöhe .
Zur Anpassung der Förderhöhe ist es bekannt, die Schaufeln des Laufrades mittels Abdrehens der Austrittskanten zu redu¬ zieren. Hierbei werden signifikante Anteile der Schaufeln im Bereich der Austrittskanten abgetragen, damit die Förderhöhe verringert ist und dementsprechend die gewollte Anpassung an die thermodynamischen Sollvorgaben gelingt.
Strömungstechnische Verluste, beispielsweise ungewollte Se- kundärströmungen und Druckverluste, beispielsweise in Folge von unerwünschten Turbulenzen, führen regelmäßig zu einer Reduktion der Förderhöhe, weil die entsprechenden Anteile der Antriebsleistung nicht der Erreichung des thermodynamischen Ziels dienen, sondern als Verlustleistung verloren gehen.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Wirkungs¬ grad eines Laufrades der eingangs definierten Art zu verbes¬ sern und dementsprechend bei gleichem Energieeinsatz pro Zeit eine verbesserte Förderhöhe zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht eine Gestaltung des Laufrades gemäß Anspruch 1 vor. Weiterhin ist ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren gemäß Anspruch 2 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Laufrades vorgeschlagen.
Begriffe wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf die Rotationsachse des Laufrades, so¬ fern dies nicht anders angegeben ist. Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zugrunde. An den
Schaufeln eines erfindungsgemäßen Laufrades liegen auf beiden Seiten üblicherweise verschiedene Druckniveaus vor. Auf der in Rotationsrichtung weisenden sogenannten Druckseite ist der Druck höher, als auf der gegenüberliegenden Saugseite. An der Austrittskante oder Hinterkante der Schaufeln tendiert das
Prozessfluid daher stets, von der Druckseite zur Saugseite zu strömen, um die Druckdifferenz auszugleichen. Weil die Strömung des Prozessfluids hierbei so weit wie möglich versucht der Hinterkante zu folgen wird das Prozessfluid lokal stark umgelenkt bzw. beschleunigt, so dass es zu einem Druckabfall im Bereich dieser starken Umlenkung kommt. Der statische Druck senkt sich dort so weit ab, dass dort der Druck noch niedriger ist als im stromab des Laufrades und so auch in den Radseitenräumen. Dementsprechend kommt es zu einem Einströmen von Prozessfluid aus den Radseitenräumen in Bereichen der Schaufelaustrittskanten über die Radscheibe bzw. Deckscheibe. Das so angesaugte Fluid interagiert mit der aus dem Laufrad austretenden Strömung, so dass es zu sich aufrollenden Wirbeln kommt, die sich von der Hinterkante lösen und teilweise den Strömungskanal versperren. Diese Versperrung wirkt stromaufwärts ins Laufrad und führt zu einem flacheren
Abströmwinkel der Strömung bzgl. des Relativsystems bzw. ei- ner verringerten Umfangsgeschwindigkeit der Strömung bzgl. des Absolutsystems. Das reduziert die Arbeitsumsetzung des Laufrades teilweise erheblich, so dass es zu einer deutlich geringeren Stufenförderhöhe bzw. Förderhöhe der Maschine kommt .
Die Erfindung hat das oben beschriebene Phänomen als Nachteil der herkömmlichen Maschinen erkannt und beseitigt diesen durch das erfindungsgemäße Durchmesserverhältnis zwischen ma- ximalem Durchmesser der Radscheibe bzw. Deckscheibe (insbe¬ sondere Radscheibe und Deckscheibe haben im Wesentlichen den gleichen maximalen Außendurchmesser) und dem maximalen Austrittskantenradius der Schaufeln. Erfindungsgemäß sind die Austrittskanten der Schaufeln gegenüber dem maximalen Laufraddurchmesser im Bereich der Radscheibe bzw. Deckscheibe derart zurückversetzt, dass der SchaufelAustrittskantendurchmesser zwischen 99% und 99, 8% des Durchmessers von Radscheibe bzw. Deckscheibe beträgt. In an- deren Worten: die Schaufel wird bzgl. des Austrittskantendurchmessers zwischen 0,2% und 1% gegenüber dem Außendurchmesser der Radscheibe bzw. Deckscheibe zurückversetzt bzw. nachbearbeitet, insbesondere abgedreht in dem erfindungsgemä¬ ßen Verfahren zur Herstellung des Laufrades. Durch den nur etwas verkleinerten Schaufelaustrittskantendurchmesser gegenüber dem Außendurchmesser von Radscheibe bzw. Deckscheibe ist der statische Druck bei der radialen Position, die dem Außendurchmesser von Radscheibe und Deckscheibe entspricht, in Axialrichtung und Umfangsrichtung bereits nahezu ausgeglichen bzw. deutlich gleichmäßiger als ohne das erfindungsgemäße Ausdrehen der Schaufeln. Das liegt daran, dass die Drucksenke im Bereich der Schaufelhinterkante bzw. Austrittskante nur in unmittelbar Nähe der Oberfläche existiert in Folge der Umlen- kung des Strömungsfluids zum Druckausgleich zwischen Saugseite und Druckseite. Durch die erfindungsgemäße Nacharbeitung bzw. das Ausdrehen der Austrittskanten gegenüber der Radscheibe bzw. Deckscheibe wird die Zuströmung von Fluid aus den beiden Radseitenräumen in den Bereich der Laufradschau- felhinterkante stark reduziert, ohne dass die Arbeitsumset¬ zung (betrachtet ohne das von der Erfindung erkannte Wir- kungsgrad-mindernde Phänomen) durch diese geringe Nachbear¬ beitung relevant reduziert wird. Die minimale Reduzierung des Radius der Schaufelaustrittskante führt zu einer nur minimal geringeren Umfangsgeschwindigkeit an der Schaufelaustritts¬ kante, so dass die theoretische Arbeitsumsetzung im Wesentli¬ chen unbeeinflusst bleibt. In Folge der erfindungsgemäßen Verhinderung der störenden Zuströmung aus den Radseitenräumen und ggf. aus dem stromabwärts gelegenen Diffusor ergibt sich aber ein Förderhöhengewinn von CCL. 6-6 bei damit einher gehen¬ der Steigerung des isentropen Wirkungsgrades um 0,7%. Diese zunächst überraschend erscheinenden Ergebnisse basieren auf der erfindungsgemäßen Erkenntnis, dass die starke lokal be- grenzte Drucksenke im Bereich der Schaufelaustrittskante in Folge der Zuströmung aus den Radseitenräumen über die Radscheibe bzw. die Deckscheibe zu einer Verwirbelung und Verb- lockung des Austrittsquerschnitts der Strömungskanäle des Laufrades führt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be¬ schrieben. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines axialen Längs¬ schnitts durch ein erfindungsgemäßes Laufrad,
Figur 2 ein Detail der Figur 1 gemäß II, Figur 3 ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens . Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines axialen
Längsschnitts durch ein erfindungsgemäßes Laufrad IMP mit an¬ grenzendem Gehäuse CAS, wobei das Laufrad IMP auf einer Wel¬ le SH montiert ist. Da das Laufrad IMP rotationssymmetrisch ist, ist nur eine radiale Hälfte dargestellt.
Das Laufrad IMP ist auf der Welle SH aufgeschrumpft mittels einer Radscheibe HWE, die einen konzentrischen Schrumpfsitz aufweist. Weiterhin umfasst das Laufrad IMP Schaufeln BLA und eine Deckscheibe CWE . Die Schaufeln BLA trennen einzelne Strömungskanale FCH in Umfangsrichtung von einander.
Die Schaufeln BLA sind als verbindendes Glied zwischen der Radscheibe HWE und der Deckescheibe CWE an beiden fest ange¬ bracht. Bevorzugt sind die Schaufeln BLA aus einem massiven Bauteil ausgefräst, wobei die Radscheibe HWE und die Schau¬ feln BLA bevorzugt dem gleichen massiven Rohling GRE entstammen. Die Deckscheibe CWE kann entweder, bei entsprechender fertigungstechnischer Möglichkeit, ebenfalls dem gleichen Rohling GRE entstammen oder alternativ als separates Bauteil gefertigt sein und anschließend an den radialen Außenkanten der Schaufeln befestigt werden. Die Befestigung erfolgt dann bevorzugt mittels Schweißens.
Die Schaufeln BLA erstrecken sich von einer Eintrittskan- te LEE bis zu einer Austrittskante TEE entlang der Umlenkung von einer im Wesentlichen axialen Strömungsrichtung in eine im Wesentlichen radiale Strömungsrichtung nach außen. Das Laufrad IMP ist von einem stationären Gehäuse CAS umgeben, das im Bereich des Austritts EXT des Laufrades IMP ein das Laufrad IMP durchströmendes Prozessfluid in einen anschlie¬ ßenden Diffusor DFF überleitet. Im Vergleich zu den Austrittskanten TEE weist die Radscheibe HWE bzw. Deckschei¬ be CWE einen um 0,2% bis 1% größeren Durchmesser auf, so dass der jeweilige maximale Radius MRAD der Austrittskanten TEE der Schaufeln BLA einen um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE geringeren Radius aufweist. Diese leichte Überhöhung der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE im Bereich des Austritts EXT des Laufra¬ des IMP sorgt dafür, dass aus Radseitenräumen WSC seitens der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE kein Prozessfluid von ei¬ ner sich im Bereich der Austrittskanten TEE ergebenden Drucksenke angesaugt werden kann.
Die Erfindung sieht vor, dass die Austrittskanten TEE um eine Durchmesserdifferenz DBW gegenüber dem maximalen Durchmesser MDIA der Radscheibe HWE bzw. Deckscheibe CWE um 0,2% bis 1% des maximalen Durchmessers MDIA zurücksteht.
Figur 3 zeigt schematisch den Fertigungsablauf eines Verfah¬ rens zur Fertigung eines Laufrades IMP nach der Erfindung. In einem Schritt a) wird ein Rohling GRE bereitgestellt. In ei¬ nem Schritt b) erfolgt die Fertigung eines Impellers IMP aus dem Rohling GRE. In einem Schritt c) wird der Impeller IMP aus dem Schritt b) einer Nachbearbeitung unterzogen, bevorzugt einer Drehbearbeitung, bei der die Austrittskanten TEE der Schaufeln BLA erfindungsgemäß im Durchmesser gegenüber der Radscheibe HWE bzw. der Deckscheibe CWE gekürzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Laufrad (IMP) eines Radialturboverdichters (RTC) zur Rota¬ tion um eine Achse (X) umfassend:
- einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt (INL),
- einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT) ,
- eine Radscheibe (HWE) ,
- eine Deckscheibe (CWE) ,
- zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordnete Schaufeln (BLA) ,
- wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanäle (FCH) voneinander abgrenzen,
- wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Eintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen,
- wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradau¬ stritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen,
- wobei die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durchmesser (MDIA) des Laufrads (IMP) erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA) einen gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen .
2. Verfahren zur Fertigung eines Laufrades (IMP) nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen eines Rohlings (GRE) ,
b) Fertigen eines Impellers (IMP) aus dem Rohling (GRE) umfassend :
- einen im Wesentlichen axialen Laufradeintritt (INL),
- einen im Wesentlichen radialen Laufradaustritt (EXT) ,
- eine Radscheibe (HWE) ,
- einer Deckscheibe (CWE) ,
- zwischen Radscheibe (HWE) und Deckscheibe (CWE) angeordne¬ ten Schaufeln (BLA) ,
- wobei die Schaufeln (BLA) in Umfangsrichtung Strömungskanä- le (FCH) voneinander abgrenzen,
- wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradeintritts (INL) jeweils eine Eintrittskante (LEE) aufweisen, wobei die Schaufeln (BLA) im Bereich des Laufradau- stritts (EXT) jeweils eine Austrittskante (TEE) aufweisen, c) Nachbearbeiten der Austrittskanten (TEE) der Schaufeln (BLA), derart, dass die Radscheibe (HWE) und/oder die Deckscheibe (CWE) sich radial bis zu einem maximalen Durch¬ messer (MDIA) des Laufrades (IMP) erstrecken,
wobei die Austrittskanten (TEE) der Schaufeln ein gegenüber dem maximalen Durchmesser (MDIA) um 0,1% bis 0,5% des maximalen Durchmessers (MDIA) geringeren maximalen Radius (MRAD) aufweisen .
PCT/EP2017/071020 2016-08-23 2017-08-21 Laufrad, verfahren zur fertigung WO2018036958A1 (de)

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