WO2018060068A1 - Schaufeln mit in strömungsrichtung s-förmigem verlauf für laufräder radialer bauart - Google Patents

Schaufeln mit in strömungsrichtung s-förmigem verlauf für laufräder radialer bauart Download PDF

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Stefan Sebastian STONJEK
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    • F05D2250/71—Shape curved
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Definitions

  • the invention relates to blades with in the flow direction S-shaped course for wheels radial design, which are used in turbomachinery. State of the art
  • DE 10 2010 021 220 A1 discloses a rotor and a turbomachine.
  • a rotor comprises a rotor main body and a plurality of blades arranged along the circumference of the rotor main body. It is provided at least a first cable for receiving centrifugal forces, which extends relative to the axis of rotation of the rotor in the circumferential direction.
  • a shroud connects to the blades, the
  • Shroud that has at least one first cable for receiving centrifugal forces acting on the shroud.
  • the shroud in turn has a cavity or channel in which the at least one first rope is arranged.
  • the aim of this solution is to create centrifugal forces generated during rotation by means of a Rope instead of single fibers absorb.
  • the use of ropes allows the provision of a certain elasticity to accommodate large impulses, also the use of ropes is a very cost-effective solution.
  • CH 698 109 B1 relates to a turbomachine blade.
  • the turbomachine blade includes an airfoil that extends with a blade length from a blade root to a blade head.
  • the turbomachine blade has a built-in radial direction, a built-in circumferential direction and a built-in axial direction; also a threading line.
  • An inclination angle is defined as the angle that a projection of the threading line has in a plane spanned from the installation peripheral direction and the installation radial direction with the installation radial direction, wherein the inclination angle varies along the airfoil longitudinal extent.
  • DE 10 2014 104 726 A1 relates to a rotor and a fluid turbine with rotor.
  • the rotor comprises a vertical axis of rotation and at least two rotor blades. These are arranged on the axis of rotation, wherein at least one rotor blade comprises at least one opening with an openable closing element.
  • DE 10 201 1080804 A1 relates to a two-part impeller for a compressor stage, a turbocompressor and a turbocharger.
  • the impeller is designed in two parts and is used in a compressor stage of a turbocompressor, in particular a radial compressor or an axial compressor.
  • the impeller is formed from an upstream-side wheel part and a downstream-side wheel part, wherein the downstream-side wheel part has a first number of blades and the upstream-side wheel part has a second, in particular smaller number of blades.
  • the upstream-side wheel part comprises an internal thread for screwing onto a shaft end of a shaft for fastening the impeller on the shaft, wherein outflow edges of the blades of the upstream wheel part are offset from the leading edges of the blades of the downstream wheel part.
  • radial-flow turbomachines for example in centrifugal fans, the state of the art is the use of simple circular arc blades or vanes with a logarithmic contour. Sporadically also profile blades are used, which serve however primarily the increase of the stiffness of the impeller. Disadvantages of blades that are provided with an S-beat, for example, be higher mechanical stresses occurring of the cover and support plate in highly loaded wheels, which must be counteracted constructive.
  • the S-shape contour may comprise a first circular arc segment and a second circular arc segment, which merge tangentially into one another at a point of inflection.
  • the inventively proposed S-shape contour of the blades can also be prepared by first a circular arc, then a straight piece and then a circular arc are joined together.
  • the first and second arc segments can be performed in circular arc radii n, r 2 that are identical or different from each other.
  • the joining of two circular arc segments to each other represents a very cost-effective and also manufacturing technology easily feasible execution option of the S-shape contour.
  • the blades of the impeller extend from an inlet edge to a trailing edge. Their geometry is clearly defined by the following construction parameters:
  • the achievable efficiencies of the turbomachine and a little turbulent flow in the housing of the turbomachine are achieved at inlet angles ß S, E at the leading edge of the blades, which in turn depend on the design point, ie the optimal operating point of the fan (ie the turbomachine).
  • the outlet angle ßs, A at the trailing edge of the blades is variable depending on the desired pressure increase and can be between 30 ° and 120 °, depending on the design of the turbomachine.
  • the first, extending from the hub first arc segment of the S-shape contour is executed curved, while at the inflection point to this subsequent second arc segment of the S-shape contour is executed curved opposite to the first circular arc segment and the Discharge angle ßs, A defined.
  • overbending in the present case is meant that the curvature is made stronger than would have been necessary to achieve the desired exit angle, in the event that no S-blow would be provided in the airfoil.
  • the geometry of the blades, that is, the S-shape contour is designed so that this corresponds to the thickness of the skeleton of the blades of the impeller substantially thickened by the material thickness.
  • the impeller proposed according to the invention is preferably used in a turbomachine, in particular a radial flow machine such as a centrifugal fan.
  • S-shape contour can be achieved in an advantageous manner that the expansion of the flow channel between two adjacent blades on the impeller is reduced or more gentle and therefore the separation regions of the flow on the suction side of the blade can be reduced.
  • Jet-wake structure is created by stripping regions within the rotor. In the relative system of the rotor, the velocity is 0 in the separation regions of the flow and thus there is no flow of the regions.
  • a higher efficiency n means either a lower power consumption of the turbomachine at the same pressure difference and the same volume flow or on the other hand, a higher pressure difference at the same power consumption and the same volume flow. Ultimately, this will reduce emissions and reduce CO2 emissions.
  • FIG. 2 shows the essential design parameters for defining the
  • FIG. 5 shows a comparison of the channel widening that occurs in an impeller with a conventional blade geometry and an impeller whose blade is provided with the S-shape contour proposed according to the invention
  • FIG. 8 shows a comparison of jet-wake structures ("trailing dents") in the housing of the turbomachine in a conventional design of the blade geometry and of a blade geometry which has the S-shape contour proposed according to the invention.
  • blades 16 of a conventional design have a straight contour 24, whereas the blades 16, 18 proposed according to the invention are provided with an S-shaped contour 26.
  • reference numeral 22 are on the suction side of the blades 16, 18 each lying release regions of the flow referred to.
  • the suction side of the blades 16, 18 is designated by reference numeral 28.
  • the suction side 28 lies in each case on the rear side of the blades 16, 18 with respect to the direction of rotation of the impeller 14.
  • a "jet wake structure” indicated by reference numeral 30 can be seen "Jet-wake structure” is created by the self-adjusting separation regions of the flow in the rotor.
  • the velocity of the flow is 0, so that no flow of these areas occurs. This means that the entire flow is forced through the remaining channel cross-section, which is why the setting speed in the remaining channel cross-section is significantly higher (jet), as if the flow would flow through the full channel cross-section.
  • FIG. 2 shows those design parameters by means of which the S-shape contour of the blades proposed according to the invention can be clearly defined.
  • FIG. 2 shows, in a highly simplified manner, the impeller 14 whose axis of rotation is identified by reference numeral 42.
  • the impeller 14 whose axis of rotation is identified by reference numeral 42.
  • a radius r E on which the blade leading edge of the blade 16 is located.
  • a first circular arc segment 31 of the S-shape contour 26 extends in a radius n.
  • the first circular arc segment 31 of the S-shape contour Contour 26 of the blade 16 in a further, second circular arc segment 32 via.
  • the second arcuate segment 32 situated downstream of the inflection point 33 is curved in the opposite direction to the first arcuate segment, which is formed in an over-curved manner.
  • the second circular arc segment 32 extends from the point of inflection 33 in the radial direction, that is to say in the direction of flow, up to an outlet edge 35 of the blade.
  • the trailing edge 35 of the blade 16 is located on a radius r A.
  • At the leading edge 34 of the blade 16 is an entrance angle ßs, E before, which is design-dependent.
  • an exit angle ⁇ s, A is present. This is in an angular range between 30 ° and 120 °.
  • the design parameters 40, r E , ⁇ s, E, ⁇ , r 2 , r w , ⁇ s, A and r A define the geometry of the S-shape contour 26 in the case that these in the simplest case by the use of two circular arcs , ie the first circular arc segment 31 and the second circular arc segment 32.
  • FIGS. 3 and 4 show a comparison of a turbomachine 10 with conventionally designed impeller 14 and one which has blades 16 which are in accordance with the S-shape contour 26 proposed according to the invention are provided.
  • the essential parameters of the impeller ie the entry angle and the exit angle, as well as the entry width and the exit width of the channel cross section, are identical.
  • FIG. 3 shows that the straight contour 24 of the blades 16, 18 leads to detachment regions 50 on the suction side 28 of the blades 16.
  • the self-adjusting separation regions 50 on the suction side 28 according to the embodiment of Figure 3 cause relatively large Verwirbelungspe, which are detrimental to an achievable efficiency.
  • Figures 5 and 6 show a comparison of channel widening between two blades of the impeller for a conventional, e.g. formed with a straight line contour 24 geometry of the blades 16 of the impeller 14, whereas according to Figure 6, the blades 16 of the impeller 14 shown there are executed with the inventively proposed S-shape contour 26. While in the illustration according to FIG.
  • a channel widening 54 is established between two adjacent blades 16 in straight line contour 24, this is significantly reduced in the case of the embodiment of the rotor 14 with blades 16 in S-shape contour 26, compare position 56 in FIG Due to the reduced channel widening 56, the reduced separation areas 52 on the suction side 28 of the blades 16, 18 are achieved, which benefits the efficiency and, moreover, a reduced "jet wake structure" (see explanation above) on the downstream side This in turn allows a reduction of the mixing losses in the following ring diffuser or in the spiral housing of the turbomachine, in particular the radial flow machine.
  • jet wake structures 58, 60 are essentially created by having different flow rates in the housing, for example, in the volute 12 of the radial flow machine 10. When high velocity flow parts encounter lower velocity flows, internal friction occurs The mixing losses, in turn, are extremely detrimental to the achievable efficiencies of fluid flow machines.
  • an impeller 14 for a turbomachine 10 can be indicated by the inventively proposed S-shape contour 26 of the blades 16, which is characterized by a reduced channel widening 56, reduced separation areas 52 on the suction side 28 of the blades 16 and by a reduced jet -Wake structure 60 in the housing 12 of the turbomachine 10 distinguished.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad (14) für eine Strömungsmaschine (10), insbesondere eine Radialströmungsmaschine. Das Laufrad (14) weist eine Anzahl von Schaufeln (16) auf, die am Umfang des Laufrades (14) voneinander beabstandet aufgenommen sind. Die Schaufeln (16) sind mit einer radial verlaufenden S-Form-Kontur (26) ausgeführt.

Description

Schaufeln mit in Strömungsrichtung S-förmigem Verlauf für Laufräder radialer Bauart
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln mit in Strömungsrichtung S-förmigem Verlauf für Laufräder radialer Bauart, die in Strömungsmaschinen eingesetzt werden. Stand der Technik
Im Rahmen der derzeitigen Entwicklung ist die Einsparung von Energie und damit die Reduzierung des Ausstoßes von CO2 in allen Bereichen ein erklärtes Ziel. Ein großer Teil des Gesamtenergieverbrauches in der EU wird durch Turbomaschinen, vorwiegend durch Pumpen und Ventilatoren verursacht. Die Pumpen- und Ventilatorhersteller sind durch immer strikter werdende EU- Regelungen dazu angehalten, den Wirkungsgrad ihrer Strömungsmaschinen in zeitlichen Intervallen zu steigern (EuP-Richtlinie). Durch die Steigerung des Wirkungsgrades von Turbomaschinen, kann die Energie, die zum Antrieb der Maschine bereitgestellt werden muss, in mehr nutzbare Fluidenergie umgewandelt werden. Der nicht nutzbare irreversible Teil der Energie wird verringert.
Aus DE 10 2010 021 220 A1 geht ein Rotor sowie eine Turbomaschine hervor.
Gemäß dieser Lösung umfasst ein Rotor einen Rotorgrundkörper und mehrere entlang des Umfangs des Rotorgrundkörpers angeordnete Schaufeln. Es ist wenigstens ein erstes Seil zur Aufnahme von Fliehkräften vorgesehen, welches sich bezogen auf die Rotationsachse des Rotors in Umfangsrichtung erstreckt.
Radial außen schließt sich ein Deckband an die Schaufeln an, wobei das
Deckband das wenigstens eine erste Seil zur Aufnahme von auf das Deckband wirkenden Fliehkräften aufweist. Das Deckband seinerseits weist einen Hohlraum oder einen Kanal auf, in welchem das mindestens eine erste Seil angeordnet ist.
Diese Lösung hat zum Ziel, bei der Rotation entstehende Fliehkräfte mittels eines Seiles anstelle von Einzelfasern aufzunehmen. Die Verwendung von Seilen ermöglicht die Bereitstellung einer bestimmten Elastizität, um große Impulse aufnehmen zu können, ferner stellt der Einsatz von Seilen eine überaus kostengünstige Lösung dar. Dadurch, dass das mindestens eine Seil wenigstens einen Teil der wirkenden Fliehkräfte aufnimmt, wird die Möglichkeit eröffnet, Komponenten des Rotors, beispielsweise die Schaufeln oder den Rotorgrundkörper im Hinblick auf ihre Materialstärke zu reduzieren.
CH 698 109 B1 bezieht sich auf eine Turbomaschinenschaufel. Die Turbomaschinenschaufel umfasst ein Schaufelblatt, welches sich mit einer Schaufelblatt-Längserstreckung von einem Schaufelfuß zu einem Schaufelkopf erstreckt. Die Turbomaschinenschaufel weist eine Einbau-Radialrichtung, eine Einbau-Umfangsrichtung sowie eine Einbau-Axialrichtung auf; ferner eine Auffädelungslinie. Ein Neigungswinkel wird als der Winkel definiert, den eine Projektion der Auffädelungslinie in einer von der Einbau-Umfangsrichtung und der Einbau-Radialrichtung aufgespannten Ebene mit der Einbau-Radialrichtung aufweist, wobei der Neigungswinkel entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung variiert. DE 10 2014 104 726 A1 bezieht sich auf einen Rotor und eine Fluidturbine mit Rotor. Der Rotor umfasst eine vertikale Drehachse und mindestens zwei Rotorblätter. Diese sind an der Drehachse angeordnet, wobei mindestens ein Rotorblatt mindestens eine Öffnung mit einem offenbaren Schließelement umfasst.
DE 10 201 1 080 804 A1 bezieht sich auf ein zweiteiliges Laufrad für eine Verdichterstufe, einen Turboverdichter und einen Turbolader. Das Laufrad ist zweiteilig ausgeführt und wird in einer Verdichterstufe eines Turboverdichters, insbesondere eines Radialverdichters oder eines Axialverdichters eingesetzt. Das Laufrad ist aus einem anströmseitigen Radteil und einem abströmseitigen Radteil gebildet, wobei das abstromseitige Radteil eine erste Anzahl Schaufeln und das anströmseitige Radteil eine zweite, insbesondere kleinere Anzahl Schaufeln aufweist. Das anströmseitige Radteil umfasst ein Innengewinde zum Aufschrauben auf ein Wellenende einer Welle zur Befestigung des Laufrades auf der Welle, wobei Abströmkanten der Schaufeln des anströmseitigen Radteiles versetzt zu Anströmkanten der Schaufeln des abströmseitigen Radteils liegen. Bei Strömungsmaschinen in Radialbauweise, so zum Beispiel bei Radialventilatoren ist Stand der Technik der Einsatz einfacher Kreisbogenschaufeln oder von Schaufeln mit einer logarithmischen Kontur. Vereinzelt werden auch Profilschaufeln eingesetzt, die jedoch vorrangig der Steigerung der Steifigkeit des Laufrades dienen. Nachteile von Schaufeln, die mit einem S-Schlag versehen sind, können beispielsweise höhere auftretende mechanische Belastungen von Deck- und Tragscheibe bei hochbelasteten Laufrädern sein, denen konstruktiv entgegengewirkt werden muss. Zudem entsteht ein geringfügig höherer Fertigungsaufwand gegen die Kreisbogenschaufeln aufgrund des Wendepunktes in der Schaufelgeometrie. Die Schaufeln werden insgesamt länger und damit schwerer, was einen erhöhten Materialeinsatz erfordert. Da derartige Strömungsmaschinen in der Regel jahrelang ununterbrochen laufen, überwiegt die Kosteneinsparung durch Energieeinsparung die Mehrkosten bei Material und den erhöhten konstruktiven Aufwand dennoch bei weitem.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Radialströmungsmaschine zu verbessern um die Energie, die zum Antrieb der Strömungsmaschine bereitgestellt werden muss, in mehr nutzbare Fluidenergie umzuwandeln. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, an einem Laufrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Radialströmungsmaschine mit einer Anzahl von Schaufeln, die am Umfang des Laufrades voneinander beabstandet aufgenommen sind, die Schaufeln mit einer radial verlaufenden S-Form-Kontur auszuführen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird erreicht, dass eine Aufweitung des Strömungskanals im Rotor, d.h. im Laufrad reduziert wird, bzw. sanfter erfolgt und auf diese Weise die ansonsten üblichen Ablösegebiete der Strömung auf der Saugseite der Schaufel verkleinert werden. Daraus wiederum resultiert eine Verringerung von „Nachlaufdellen" in der Abströmung vom Laufrad, wodurch Vermischungsverluste im nachfolgenden Ringdiffusor oder im Spiralgehäuse reduziert werden. Dies wiederum erlaubt eine Erhöhung des Wirkungsgrades im Vergleich zu konventionellen Bauarten, insbesondere einfachen Kreisbogenschaufeln oder logarithmischen Schaufeln oder alternativ die Beibehaltung des Wirkungsgrades bei größerer Druckdifferenz und gleichzeitiger Anpassung des Austrittswinkels. In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die S-Form-Kontur ein erstes Kreisbogensegment und ein zweites Kreisbogensegment umfassen, die an einem Wendepunkt tangential ineinander übergehen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene S-Form-Kontur der Schaufeln kann auch dadurch hergestellt werden, dass zunächst ein Kreisbogen, daran anschließend ein gerade verlaufendes Stück und dann wieder ein Kreisbogen miteinander gefügt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die S-Form-Kontur durch Fügen von drei Kreisbögen miteinander darzustellen. Wichtig ist, dass durch die Verwirklichung einer im Wesentlichen S-Kontur des Schaufelverlaufs eine Kanalaufweitung zwischen zwei aneinandergrenzenden Schaufelblättern vermindert und im Idealfall ganz ausgeschlossen ist.
In vorteilhafter Weise können das erste und das zweite Kreisbogensegment in Kreisbogenradien n , r2 ausgeführt werden, die identisch oder verschieden voneinander sind. Das Fügen zweier Kreisbogensegmente aneinander stellt eine sehr kostengünstige und weiterhin fertigungstechnisch leicht realisierbare Ausführungsmöglichkeit der S-Form-Kontur dar. Die Schaufeln des Laufrades erstrecken sich von einer Eintrittskante zu einer Austrittskante. Ihre Geometrie ist durch nachfolgend aufgezählte Konstruktionsparameter eindeutig definiert:
Radius rE in der Schaufeleintrittskante,
- Eintrittswinkel ßs,E,
Radius n , r2 des ersten oder zweiten Kreisbogensegmentes,
Radius rw des Wendepunktes,
Austrittswinkel ßs,A und
Radius der Schaufelaustrittskante RA.
Die erzielbaren Wirkungsgrade der Strömungsmaschine und eine wenig verwirbelungsbehaftete Strömung im Gehäuse der Strömungsmaschine werden bei Eintrittswinkeln ßS,E an der Eintrittskante der Schaufeln erreicht, die wiederum vom Design-Punkt, d.h. dem optimalen Betriebspunkt des Ventilators (d.h. der Strömungsmaschine) abhängig sind. Der Austrittswinkel ßs,A an der Austrittskante der Schaufeln ist je nach gewünschter Druckerhöhung variabel und kann zwischen 30° und 120°, je nach Auslegung der Strömungsmaschine, liegen. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Laufrad ist das erste, sich von der Nabe aus erstreckende erste Kreisbogensegment der S-Form-Kontur überkrümmt ausgeführt, während das am Wendepunkt an dieses anschließende zweite Kreisbogensegment der S-Form-Kontur entgegengesetzt zum ersten Kreisbogensegment gekrümmt ausgeführt ist und den Austragswinkel ßs,A definiert. Unter Überkrümmung ist im vorliegenden Fall gemeint, dass die Krümmung stärker ausgebildet ist, als dies zum Erreichen des gewünschten Austrittwinkels erforderlich gewesen wäre, für den Fall, dass kein S-Schlag im Schaufelblatt vorgesehen wäre. In vorteilhafter Weise ist die Geometrie der Schaufeln, d.h. die S-Form-Kontur so ausgeführt, dass diese der im Wesentlichen der Skelettlinie der Schaufeln des Laufrades aufgedickt um die Materialdicke entspricht.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäß vorgeschlagene Laufrad in einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Radialströmungsmaschine wie einem Radialventilator eingesetzt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene S-Form-Kontur kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Aufweitung des Strömungskanales zwischen zwei nebeneinanderliegenden Schaufeln am Laufrad reduziert bzw. sanfter erfolgt und daher die Ablösegebiete der Strömung auf der Saugseite der Schaufel verkleinert werden können. Daraus resultiert eine verringerte „Jet-Wake-Struktur" in der Abströmung des Rotors, wodurch die Vermischungsverluste in einem nachfolgenden Ringdiffusor oder im Spiralgehäuse signifikant reduziert werden können. Eine„Jet-Wake-Struktur" entsteht durch Ablösungsgebiete innerhalb des Rotors. Im Relativsystem des Rotors ist in den Ablösungsgebieten der Strömung die Geschwindigkeit 0 und somit ist kein Durchfluss der Gebiete gegeben. Dadurch wird die gesamte Strömung durch den verbleibenden Kanalquerschnitt gepresst, weshalb die sich einstellende Geschwindigkeit dort deutlich höher ist, als wenn die gesamte Strömung durch den vollen Kanalquerschnitt strömen würde. Diese Abwechslung zwischen Geschwindigkeit = 0 und hoher Geschwindigkeit, lässt kurz hinter dem Rotor die„Jet-Wake-Struktur" entstehen (Jet = Strahl, Wake = Totwasser).
Aufgrund der Reduzierung der Vermischungsverluste wiederum resultiert ein höherer Wirkungsgrad des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Laufrades, verglichen mit konventionellen Bauarten, bei welchen eine einfache Kreisbogenschaufel, d.h. eine Schaufelgeometrie ohne S-Form-Kontur zum Einsatz kommen oder bei Einsatz einer logarithmischen Schaufel. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, bei gleichem Wirkungsgrad wie bei einer Standardausführung eine höhere Druckdifferenz dadurch zu erzielen, dass zusätzlich der Austrittswinkel ßs,A erhöht wird. Ein höherer Wirkungsgradn bedeutet entweder eine niedrigere Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine bei gleicher Druckdifferenz und gleichem Volumenstrom oder andererseits eine höhere Druckdifferenz bei gleicher Leistungsaufnahme und gleichem Volumenstrom. In letzter Konsequenz werden dadurch die Emissionen gesenkt und der CO2-Ausstoß reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine Gegenüberstellung von konventionellen sich gerade erstreckenden Schaufelprofil gegenüber der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur der Schaufel,
Figur 2 die wesentlichen Konstruktionsparameter zur Definition der
Bestimmung der S-Form-Kontur der Schaufel,
Figuren 3
und 4 zeigen eine Gegenüberstellung von Ablösegebieten der Strömung auf der Saugseite von Laufradschaufeln, die einen geraden Verlauf aufweisen und solche, welche mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur ausgeführt sind,
Figuren 5 und 6 eine Gegenüberstellung der sich einstellenden Kanalaufweitung bei einem Laufrad mit konventioneller Schaufelgeometrie und einem Laufrad, dessen Schaufel mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur versehen sind und
Figuren 7
und 8 eine Gegenüberstellung sich im Gehäuse der Strömungsmaschine einstellender Jet-Wake-Strukturen („Nachlaufdellen") bei einer konventionellen Ausführung der Schaufelgeometrie und einer Schaufelgeometrie, welche die erfindungsgemäß vorgeschlagene S- Form-Kontur aufweist.
Ausführungsvarianten In der Darstellung gemäß Figur 1 sind eine konventionelle Schaufelgeometrie und die erfindungsgemäß vorgeschlagene S-Form-Kontur für die Schaufeln des Laufrades einander gegenübergestellt.
Eine in Figur 1 nur teilweise dargestellte Strömungsmaschine, bei der es sich um eine Radialströmungsmaschine, beispielsweise einen Radialventilator handelt, umfasst ein Gehäuse 12, beispielsweise ein Spiralgehäuse und ist mit einem Laufrad 14 versehen. Das Laufrad 14, welches in Figur 1 nur teilweise dargestellt ist, umfasst Schaufeln 16, 18, die zwischen sich jeweils einen Zwischenraum 20 begrenzen, welcher den Strömungskanal für das Fluid darstellt. Wie aus Figur 1 hervorgeht, weisen Schaufeln 16 konventioneller Bauart eine Gerade-Kontur 24 auf, wohingegen die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaufeln 16, 18 mit einer S-Form-Kontur 26 versehen sind. Mit Bezugszeichen 22 sind auf der Saugseite der Schaufeln 16, 18 jeweils liegende Ablösegebiete der Strömung bezeichnet. Die Saugseite der Schaufeln 16, 18 ist durch Bezugszeichen 28 bezeichnet. Die Saugseite 28 liegt jeweils auf der Rückseite der Schaufeln 16, 18 bezogen auf die Rotationsrichtung des Laufrades 14. Auf der Austrittsseite, d.h. am Ende der Schaufeln 16, 18 ist eine durch Bezugszeichen 30 angedeutete„Jet- Wake-Struktur" zu erkennen. Diese „Jet-Wake-Struktur" entsteht durch die sich einstellenden Ablösungsgebiete der Strömung im Rotor. Im Relativsystem des Rotors ist in den Ablösungsgebieten die Geschwindigkeit der Strömung 0, so dass kein Durchfluss dieser Gebiete auftritt. Dies bedeutet, dass die gesamte Strömung durch den verbleibenden Kanalquerschnitt gezwängt wird, weshalb die sich einstellende Geschwindigkeit im verbleibenden Kanalquerschnitt deutlich höher ist (Jet), als wenn die Strömung durch den vollen Kanalquerschnitt strömen würde. Die Abwechslung zwischen Gewschwindigkeit = 0 und hoher Geschwindigkeit lässt kurz hinter dem Rotor die„Jet-Wake-Struktur" entstehen, wobei der Ausdruck „Jet" für Strahl und der Ausdruck„Wake" für„Totwasser-Gebiete" steht.
Der Darstellung gemäß Figur 2 sind diejenigen Konstruktionsparameter zu entnehmen, über welche sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene S-Form- Kontur der Schaufeln eindeutig definieren lässt.
Figur 2 zeigt in schematischer stark vereinfachter Weise das Laufrad 14, dessen Rotationsachse durch Bezugszeichen 42 identifiziert ist. Ausgehend von der Rotationsachse 42 erstreckt sich ein Radius rE auf der die Schaufeleintrittskante der Schaufel 16 liegt. Ausgehend von einer Eintrittskante 34 erstreckt sich in einem Radius n ein erstes Kreisbogensegment 31 der S-Form-Kontur 26. An einem Wendepunkt 33, der auf einem entsprechenden Radius rw für den Wendepunkt liegt, geht das erste Kreisbogensegment 31 der S-Form-Kontur 26 der Schaufel 16 in ein weiteres, zweites Kreisbogensegment 32 über. Das zweite stromab des Wendepunktes 33 gelegene Kreisbogensegment 32 ist im Vergleich zum ersten Kreisbogensegment, das überkrümmt ausgebildet ist, entgegengesetzt zu diesem gekrümmt. Das zweite Kreisbogensegment 32 erstreckt sich vom Wendepunkt 33 in radiale Richtung, d.h. in Strömungsrichtung gesehen bis zu einer Austrittskante 35 der Schaufel. Die Austrittskante 35 der Schaufel 16 liegt auf einem Radius rA. An der Eintrittskante 34 der Schaufel 16 liegt ein Eintrittswinkel ßs,E vor, der auslegungsabhängig ist. An der Austrittskante 35 der S-Form-Kontur 26, d.h. am Ende des zweiten Kreisbogensegmentes 32 liegt ein Austrittswinkel ßs,A vor. Dieser liegt in einem Winkelbereich zwischen 30° und 120°. Die Konstruktionsparameter 40, rE, ßs,E, Π , r2, rw, ßs,A sowie rA definieren die Geometrie der S-Form-Kontur 26 für den Fall, dass diese im einfachsten Falle durch den Einsatz von zwei Kreisbögen, d.h. dem ersten Kreisbogensegment 31 und dem zweiten Kreisbogensegment 32 besteht. Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Gegenüberstellung einer Strömungsmaschine 10 mit konventionell ausgebildetem Laufrad 14 und ein solches, welches Schaufeln 16 aufweist, die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur 26 versehen sind. In beiden in den Figuren 3 und 4 dargestellten Fällen sind die wesentlichen Parameter des Laufrades, d.h. der Eintrittswinkel und der Austrittswinkel sowie die Eintrittsbreite und die Austrittsbreite des Kanalquerschnittes identisch.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass die Gerade-Kontur 24 der Schaufeln 16, 18 zu Ablösegebieten 50 auf der Saugseite 28 der Schaufeln 16 führt. Die sich einstellenden Ablösegebiete 50 auf der Saugseite 28 gemäß der Ausführungsvariante nach Figur 3 bewirken relativ große Verwirbelungsverluste, welche einem erreichbaren Wirkungsgrad abträglich sind.
Demgegenüber sind die Schaufeln 16 des Laufrades 14 gemäß der Darstellung in Figur 4 in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur 26 ausgeführt. Die im Vergleich zu den Ablösegebieten 50 gemäß Figur 3 deutlich verkleinerten Ablösegebiete 52 auf der Saugseite 28 der Schaufeln 16 bewirken eine erhebliche Reduzierung der Vermischungsverluste im Gehäuse der Radialströmungsmaschine.
Den Figuren 5 und 6 ist eine Gegenüberstellung der Kanalaufweitung zwischen zwei Schaufeln des Laufrades für eine konventionell, d.h. mit einer Geraden- Kontur 24 ausgebildeten Geometrie der Schaufeln 16 des Laufrades 14 zu entnehmen, wohingegen gemäß Figur 6 die Schaufeln 16 des dort dargestellten Laufrades 14 mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur 26 ausgeführt sind. Während sich bei der Darstellung gemäß Figur 5 zwischen zwei benachbarten Schaufeln 16 in Geraden-Kontur 24 eine Kanalaufweitung 54 einstellt, ist diese bei der Ausführungsvariante des Laufrades 14 mit Schaufeln 16 in S-Form-Kontur 26 deutlich vermindert, vergleiche Position 56 in Figur 6. Durch die verminderte Kanalaufweitung 56 werden die verkleinerten Ablösegebiete 52 auf der Saugseite 28 der Schaufeln 16, 18 erreicht, was dem Wirkungsgrad zugutekommt und darüber hinaus zu einer verringerten„Jet-Wake-Struktur" (siehe weiter oben stehende Erklärung) auf der Abströmseite des Laufrades 14 führt. Dies wiederum erlaubt eine Reduktion der Vermischungsverluste im nachfolgenden Ringdiffusor bzw. im Spiralgehäuse der Strömungsmaschine, insbesondere der Radialströmungsmaschine.
Den Darstellungen gemäß der Figuren 7 und 8 sind die sich einstellenden„Jet- Wake-Strukturen" zu entnehmen. Während die in Figur 7 im Spiralgehäuse der Strömungsmaschine 10 dargestellte„Jet-Wake-Struktur" 58 relativ ausgeprägt ist, ist diese bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 8, bei der die Schaufeln 16 des Laufrades 14 in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen S-Form-Kontur 26 ausgebildet, wesentlich verringert, vergleiche Bezugszeichen 60. Die Jet-Wake- Strukturen 58, 60 werden im Wesentlichen dadurch erzeugt, dass im Gehäuse, beispielsweise im Spiralgehäuse 12 der Radialströmungsmaschine 10, unterschiedliche Strömungs-geschwindigkeiten herrschen. Treffen Strömungsteile mit hoher Geschwindigkeit auf solche mit niedrigerer Geschwindigkeit, kommt es zu inneren Reibungen des Fluides und damit zu einem Abbremsvorgang der schnellen Strömung durch die geringere Strömung, was zu Vermischungsverlusten führt. Vermischungsverluste wiederum sind den erzielbaren Wirkungsgraden von Strömungsmaschinen äußerst abträglich.
Alles in allem lässt sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene S-Form- Kontur 26 der Schaufeln 16 ein Laufrad 14 für eine Strömungsmaschine 10 angeben, welches sich durch eine verminderte Kanalaufweitung 56, verkleinerte Ablösegebiete 52 auf der Saugseite 28 der Schaufeln 16 sowie durch eine reduzierte Jet-Wake-Struktur 60 im Gehäuse 12 der Strömungsmaschine 10 auszeichnet.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind innerhalb des angegebenen Bereichs weitere Abwandlungen und Ergänzungen möglich, die dem Fachmann ersichtlich sind.
Bezugszeichenliste
10 Strömungsmaschine
12 Gehäuse, Spiralgehäuse
14 Laufrad
16 Schaufel
18 weitere Schaufel
20 Zwischenraum, Strömungskanal
22 Verwirbelung / Ablösungsbereich der Strömung
24 gerade-Kontur
26 S-Form-Kontur
28 Saugseite
30 Jet-Wake-Struktur
31 erstes Kreisbogensegment
32 zweites Kreisbogensegment
33 Wendepunkt
34 Eintrittskante der Schaufel
35 Austrittskante der Schaufel
40 Konstruktionsparameter
rE Radius Schaufeleintrittskante
ßs,E Eintrittswinkel
n,2 Kreisbogenradius
rw Radius Wendepunkt
ßs,A Austrittswinkel
rA Radius Schaufelaustrittskante
42 Rotationsachse
50 Ablösegebiete auf Saugseite 28
52 verkleinerte Ablösegebiete auf Saugseite 28
54 Kanalaufweitung
56 verminderte Kanalaufweitung
58 ausgeprägte Jet-Wake-Struktur
60 reduzierte Jet-Wake-Struktur

Claims

Patentansprüche
Laufrad (14) für eine Strömungsmaschine (10), insbesondere eine Radialströmungsmaschine, mit einer Anzahl von Schaufeln (16), die am Umfang des Laufrades (14) voneinander beabstandet aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (16) mit einer radial verlaufenden S-Form-Kontur (26) ausgeführt sind.
Laufrad (14) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die S-Form- Kontur (26) ein erstes Kreisbogensegment (31 ) und ein zweites Kreisbogensegment (32) umfasst, die an einem Wendepunkt (33) tangential ineinander übergehen.
Laufrad (14) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Kreisbogensegmente (31 , 32) in Kreisbogenradien n, r2 ausgeführt sind, die identisch oder verschieden voneinander sind.
Laufrad (14) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (16) von einer Eintrittskante (34) und einer Austrittskante (35) begrenzt ist.
Laufrad (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die S-Form-Kontur (26) der Schaufeln (16) durch die nachfolgend aufgeführten Konstruktionsparameter (40) definiert ist:
- Radius rE der Vorderkante (34) der Schaufel (16),
- Eintrittswinkel ßs,E,
- Radius n, r2 des ersten oder zweiten Kreisbogensegmentes (31 , 32),
- Radius rw eines Wendepunktes (33),
- Austrittswinkel ßs,A.
- Radius der Austrittskante rA.
Laufrad (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel ßs,A an der Austrittskante (35) der Schaufel (16) zwischen 30° und 120° liegt.
7. Laufrad (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kreisbogensegment (31 ) der S-Form-Kontur (26) überkrümmt ausgeführt ist. 8. Laufrad (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kreisbogensegment (32) entgegengesetzt zum ersten Kreisbogensegment (31 ) gekrümmt ausgeführt ist und den Austrittswinkel ßs,A definiert. 9. Laufrad (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die S-Form-Kontur (26) der Schaufeln (16) im Wesentlichen deren Skelettlinie, aufgedickt um die Materialdicke entspricht.
10. Verwendung des Laufrades (14) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 9 in einer Radialströmungsmaschine, insbesondere in einem Radialventilator.
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