WO2020048730A1 - Laufrad für einen radialen turboverdichter - Google Patents

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WO2020048730A1
WO2020048730A1 PCT/EP2019/071419 EP2019071419W WO2020048730A1 WO 2020048730 A1 WO2020048730 A1 WO 2020048730A1 EP 2019071419 W EP2019071419 W EP 2019071419W WO 2020048730 A1 WO2020048730 A1 WO 2020048730A1
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WO
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impeller
wheel
blades
pressure distribution
radial
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PCT/EP2019/071419
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes ZONDLER
Tobias Reinhard OTT
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Robert Bosch Gmbh
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • 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
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051—Axial thrust balancing
    • 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
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • 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
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting

Definitions

  • the invention relates to an impeller for a radial turbocompressor.
  • the impeller has a wheel front and a wheel rear, the wheel front being provided with a number of rotor blades for conveying a medium.
  • the invention further relates to a radial turbocompressor, which
  • the invention further relates to a method for operating a radial turbocompressor with an impeller according to the invention.
  • Turbocompressors known that serve to supply air to a fuel cell.
  • a radial turbo compressor which is also referred to as a radial turbo compressor, conveys a medium such as e.g. Air through the transfer of kinetic energy in the form of a swirl pulse.
  • an impeller of a radial turbocompressor On a rotating shaft, which is driven by an electric motor, for example, an impeller of a radial turbocompressor is attached, which conveys the required medium.
  • the medium flows axially into the impeller and is then compressed in the radial turbocompressor and deflected radially outwards.
  • the impeller is circular and rotates around an axis of rotation. On the front of the wheel, the impeller is provided with a number of blades for conveying the medium. The rear of the wheel is usually flat or concave. Due to the pressure increase in the radial turbocompressor
  • Front of the impeller an uneven pressure distribution, which is such that the pressure on the front of the wheel increases from the center of the impeller to the outside.
  • a maximum pressure on the front of the wheel accordingly arises at the edge of the front of the wheel of the wheel.
  • the impeller for a radial turbocompressor is proposed.
  • the impeller includes a front wheel and a rear wheel, the
  • Wheel front of the impeller for conveying a medium is provided with a number of blades.
  • the rear of the wheel has a number of
  • the number of blades on the rear of the wheel is based on the number of blades on the front of the wheel.
  • the number of blades on the rear of the wheel is based on the number of blades on the front of the wheel.
  • the blades on the rear of the wheel are preferably shaped and
  • a second pressure distribution is generated by the blades on the rear side of the impeller, which is identical or similar to a first pressure distribution on the front side of the wheel.
  • the first and second pressure distribution are considered to be similar if the second pressure distribution deviates from the first pressure distribution by less than 10%, preferably by less than 5%.
  • the blades on the rear of the wheel of the impeller in a preferred embodiment are designed in a radial direction from the center of the impeller to the outside.
  • the blades are on the same
  • the rear of the impeller is curved to optimize flow.
  • the blades can move backwards against the direction of rotation of the impeller
  • “flow-optimized” means that the blade generates a certain axial force on the rear of the wheel and that the energy expenditure involved is minimal.
  • the blades are preferably distributed in a star shape around an axis of rotation of the impeller, the central angles between the adjacent blades being the same. This creates a homogeneous pressure distribution across the scope of the impeller
  • Buckets can also be different.
  • the blades are preferably designed such that they extend on the rear of the wheel from the center of the impeller to the edge of the impeller. It is also conceivable that the blades do not start in the center of the impeller.
  • the impeller can be made in one piece as a cast component with the blades to be attached to the rear of the wheel.
  • the blades to be applied to the rear of the impeller can also be manufactured separately from the impeller. These separately manufactured blades are then through
  • the impeller and blades are preferably made of aluminum.
  • a radial turbocompressor which is a
  • inventive impeller includes inventive impeller. Furthermore, a method for operating a radial turbocompressor using an impeller according to the invention is proposed. The speed of rotation of the impeller is set so that a desired mass flow is delivered at a desired pressure. A second pressure distribution occurs on the rear of the wheel, which is identical to a first pressure distribution on the front of the wheel or deviates from the first pressure distribution by less than 10%, preferably by less than 5%.
  • a medium such as e.g. Air on the front of a wheel that is inspected in the radial
  • Turbocompressor increasing pressure of the medium e.g. Air is a pressure distribution on the front of the wheel which is such that the pressure on the front of the wheel increases from the center of the wheel to the outside.
  • the medium e.g. Air
  • Turbocompressor held up and generates a high power loss there.
  • the resultant axial force in a radial turbocompressor which is caused by different pressure distributions on the front and rear of the wheel, can be minimized or completely neutralized by the impeller and the method according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional representation of a radial
  • FIG. 2 shows a schematic front view of the radial turbocompressor according to the prior art
  • Figure 3 is a schematic representation of pressure distributions
  • Figure 4 is a schematic cross-sectional view of an inventive
  • Figure 5 is a schematic representation of pressure distributions of a
  • Figure 6 is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Figure 7 is a schematic representation of a second embodiment of a
  • FIG. 1 A radial turbocompressor 100 known from the prior art is shown in FIG. 1.
  • the radial turbocompressor 100 comprises a housing 110, which has a compressor inlet 120, and an impeller 10 '.
  • the impeller 10 ' comprises a front face 20' which is provided with a number of blades 40 'for conveying a medium, and a rear face 30' which is flat.
  • the impeller 10 ' also has a bore 70' for receiving a drive shaft 72.
  • the impeller 10 ' rotateates about an axis of rotation 60'.
  • the medium flows into the impeller 10 ′′ in an axial entry direction 140 through the compressor inlet 120 and is then compressed in the radial turbocompressor 100 and deflected outward in a radial direction 142.
  • FIG. 2 shows a schematic front view of the radial turbocompressor 100 shown in FIG. 1 according to the prior art.
  • the housing 110 of the radial turbocompressor 100 also has a compressor outlet 130.
  • the impeller 10 ′′ which is provided with a number of rotor blades 40 ′′ for conveying the medium on the front side of the wheel 20 ′′, rotates in a direction of rotation 80 ′′.
  • the medium compressed in the radial turbocompressor 100 then flows out through the compressor outlet 130 in an outlet direction 150.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a first pressure distribution
  • the impeller 10 ' has a number of blades 40' on the front side 20 'of the wheel.
  • the rear of the wheel 30 ' is just executed.
  • Blading of the impeller 10 ′′ creates an uneven first pressure distribution 160 ′′ on the front side 20 ′′ during the operation of the radial one
  • the first pressure distribution 160 'on the wheel front 20' is such that the pressure P on the wheel front 20 'changes depending on a distance S from the axis of rotation 60' and increases outwards from the center of the impeller 10 '. At the edge of the impeller 10 ', the pressure P reaches Front wheel 20 'its maximum value. On the other hand, on the rear side 30 'of the wheel, which has just been executed, shows a distance S from the axis of rotation
  • Figure 4 shows a schematic cross-sectional view of a
  • Impeller 10 according to the invention for a radial turbocompressor 100 is Impeller 10 according to the invention for a radial turbocompressor 100.
  • the impeller 10 according to the invention shown in FIG. 4 has one
  • Front wheel 20 and a rear wheel 30 The front wheel 20 is provided with a number of moving blades 40 for conveying a medium.
  • the rotor blades 40 generate a first pressure distribution 160 on the front side 20 of the wheel (cf. FIG. 5), which increases radially outwards.
  • a radial turbocompressor 100 with the impeller 10 can be one
  • the impeller 10 has a bore 70 for receiving a drive shaft 72.
  • the impeller 10 rotates about an axis of rotation 60.
  • the medium flows axially into the impeller 10 and is then compressed in the radial turbocompressor 100 and radially deflected outward.
  • a second pressure distribution 170 similar to the first pressure distribution 160 on the wheel front 20 can be generated on the wheel rear 30, the wheel rear 30 of the impeller 10 is provided with a number of blades 50.
  • the blades 50 can be made straight. However, they can also be curved to optimize flow.
  • the blades 50 are preferably curved backwards against the direction of rotation 80 of the impeller 10.
  • the blades 50 are preferably distributed in a star shape around the axis of rotation 60 of the impeller 10, the central angles 90 (cf. FIGS. 6 and 7) between the adjacent blades 50 being the same.
  • the impeller 10 can be mounted on the rear 30 of the wheel
  • Blades 50 can be made in one piece as a cast component.
  • the blades 50 to be applied on the rear side 30 of the impeller 10 can also be produced separately from the impeller 10. These separately manufactured blades 50 are then applied to the wheel rear 30 of the impeller 10 by material-locking, form-locking or force-locking joining.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a first pressure distribution 160 on a wheel front 20 and a second pressure distribution 170 on a wheel rear 30 of an impeller 10 according to the invention. Only a part of the impeller 10 according to the invention is shown, which is part of the impeller 10 according to the invention shown in FIG corresponds, which lies above the axis of rotation 60.
  • the impeller 10 has a number of blades 40 on the front side 20 of the wheel.
  • the rear of the wheel 30 is provided with blades 50.
  • the blades 40 of the impeller 10 create an uneven first pressure distribution 160 on the front side 20 of the wheel during operation of the radial one
  • the first pressure distribution 160 on the front 20 of the wheel is such that the pressure P on the wheel front 20 changes as a function of a distance S from the axis of rotation 60 and increases outwards from the center of the wheel 10. At the edge of the impeller 10, the pressure P on the front side 20 of the wheel reaches its maximum value.
  • the blades 50 also create an uneven second pressure distribution 170 on the rear side 30 of the wheel during the operation of the radial turbocompressor 100, which is similar to the first pressure distribution 160 on the front side 20 of the wheel.
  • the resulting axial force in the radial turbocompressor 100 is minimized or completely neutralized by the second pressure distribution 170.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a first embodiment of a wheel rear 30 of the impeller 10 according to the invention.
  • the rear of the wheel 30 of the impeller 10 has a number of blades 50 for generating a second pressure distribution 170 on the rear of the wheel 30, which is similar to the first pressure distribution 160 on the front of the wheel 20, only a part of the blades 50 being shown in FIG.
  • the rear of the wheel 30 of the impeller 10 also has a bore 70 for receiving a drive shaft 72.
  • the impeller 10 rotates about an axis of rotation 60.
  • the blades 50 are straight and are distributed in a star shape around the axis of rotation 60, the central angles 90 between the adjacent blades 50 being the same.
  • the blades 50 extend on the rear side 30 of the wheel from the center of the impeller 10 to the edge of the impeller 10.
  • the impeller 10 can be made together with the blades 50 on the wheel rear 30 as a cast component.
  • the blades 50 can also be manufactured separately from the impeller 10 and then by material, positive or non-positive joining to the rear of the wheel 30
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a second embodiment of the rear side 30 of the impeller 10 according to the invention.
  • the rear of the wheel 30 of the impeller 10 has a number of blades 50 for generating a second pressure distribution 170 on the rear of the wheel 30, which is similar to the first pressure distribution 160 on the front of the wheel 20, only a part of the blades 50 being shown in FIG.
  • the rear of the wheel 30 of the impeller 10 also has a bore 70 for receiving a drive shaft 72.
  • the impeller 10 rotates about an axis of rotation 60.
  • the blades 50 are curved to optimize flow and are distributed in a star shape around the axis of rotation 60, the central angles 90 between the adjacent blades 50 being the same.
  • the blades 50 are curved backwards against a direction of rotation 80 of the impeller 10 and the blades 50 extend from the center of the impeller 10 to the edge of the impeller 10.
  • the impeller 10 can be made together with the blades 50 on the wheel rear 30 as a cast component.
  • the blades 50 can also be manufactured separately from the impeller 10 and then by material, positive or non-positive joining to the rear of the wheel 30

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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 ein Laufrad (10) für einen radialen Turboverdichter (100). Das Laufrad (10) weist eine Radvorderseite (20) und eine Radrückseite (30) auf, wobei die Radvorderseite (20) zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln (40) versehen ist. Erfindungsgemäß weist die Radrückseite (30) des Laufrads (10) eine Anzahl von Schaufeln (50) auf.Die Erfindung betrifft ferner ein radialer Turboverdichter (100), der das erfindungsgemäße Laufrad (10) umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters (100) unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Laufrads (10).

Description

Laufrad für einen radialen Turboverdichter
Die Erfindung betrifft ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter. Das Laufrad weist eine Radvorderseite und eine Radrückseite auf, wobei die Radvorderseite zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen radialen Turboverdichter, der das
erfindungsgemäße Laufrad umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters mit einem erfindungsgemäßen Laufrad.
Stand der Technik
Um beispielsweise eine Brennstoffzelle im Fahrzeug betreiben zu können, muss einerseits Wasserstoff sowie auch Luft aus der Umgebung bereitgestellt werden. Dabei sind aus dem Stand der Technik elektrisch angetriebene radiale
Turboverdichter bekannt, die zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle dienen.
Ein radialer Turboverdichter, der auch als radialer Turbokompressor bezeichnet wird, fördert ein Medium wie z.B. Luft durch Übertragung kinetischer Energie in Form eines Drallimpulses.
Auf einer rotierenden Welle, welche beispielsweise durch einen Elektromotor angetrieben wird, ist ein Laufrad eines radialen Turboverdichters angebracht, das das benötigte Medium fördert. Bei einem radialen Turboverdichter strömt das Medium axial in das Laufrad und wird dann im radialen Turboverdichter komprimiert und nach außen radial abgelenkt.
Das Laufrad ist kreisförmig ausgestaltet und dreht sich um eine Drehachse. Auf der Radvorderseite ist das Laufrad mit einer Anzahl von Laufschaufeln zum Fördern des Mediums versehen. Die Radrückseite ist üblicherweise eben oder konkav ausgeführt. Durch die im radialen Turboverdichter stattfindende Druckerhöhung des
Mediums stellt sich im Betrieb des radialen Turboverdichters auf der
Radvorderseite des Laufrads eine ungleichmäßige Druckverteilung ein, welche derart ist, dass der Druck auf der Radvorderseite vom Zentrum des Laufrads nach außen zunimmt. Ein maximaler Druck auf der Radvorderseite entsteht dementsprechend am Rand der Radvorderseite des Laufrads. Dagegen entsteht eine quasi konstante Druckverteilung auf der eben oder konkav ausgeführten Radrückseite.
Durch den radial vom Zentrum des Laufrads nach außen zunehmenden Druck auf der Radvorderseite des Laufrads und den konstant hohen Druck auf der Radrückseite des Laufrads zeigt eine resultierende Axialkraft in Richtung der Radvorderseite. Diese Axialkraft muss wiederum am Axiallager des radialen Turboverdichters gegengehalten werden und erzeugt dort entsprechend hohe Verlustleistungen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Laufrad für einen radialen Turboverdichter vorgeschlagen. Das Laufrad umfasst eine Radvorderseite und eine Radrückseite, wobei die
Radvorderseite des Laufrads zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln versehen ist.
Erfindungsgemäß weist die Radrückseite des Laufrads eine Anzahl von
Schaufeln auf. Die Anzahl der Schaufeln auf der Radrückseite orientiert sich an der Anzahl der Laufschaufeln auf der Radvorderseite. Bevorzugt weist die
Radrückseite 5 bis 10 Schaufeln auf.
Vorzugsweise sind die Schaufeln auf der Radrückseite so geformt und
angeordnet, dass im Betrieb eines radialen Turboverdichters durch die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung erzeugt wird, die mit einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite identisch oder ähnlich ist. Die erste und zweite Druckverteilung werden als ähnlich angesehen, wenn die zweite Druckverteilung um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5% von der ersten Druckverteilung abweicht.
Damit eine der ersten Druckverteilung ähnliche zweite Druckverteilung auf der Radrückseite erzeugt werden kann, sind die Schaufeln auf der Radrückseite des Laufrads in einer bevorzugten Ausführungsform gerade in radialer Richtung vom Zentrum des Laufrads nach außen ausgeführt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Schaufeln auf der
Radrückseite des Laufrads strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt. Dabei können die Schaufeln rückwärts gegen eine Drehrichtung des Laufrads
gekrümmt werden. Unter„strömungsoptimierf ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Schaufel auf der Radrückseite eine gewisse Axialkraft erzeugt und der dabei anfallende Energieaufwand minimal ist.
Bevorzugt sind die Schaufeln sternförmig um eine Drehachse des Laufrads verteilt, wobei die Zentriwinkel zwischen den benachbarten Schaufeln gleich sind. Dadurch wird eine homogene Druckverteilung über den Umfang der
Radrückseite gewährleistet. Die Zentriwinkel zwischen den benachbarten
Schaufeln können aber auch ungleich sein.
Bevorzugt sind die Schaufeln derart ausgestaltet, dass sie sich auf der Radrückseite vom Zentrum des Laufrads bis zum Rand des Laufrads erstrecken. Es ist auch denkbar, dass die Schaufeln nicht im Zentrum des Laufrads starten.
Das Laufrad kann mit den auf der Radrückseite aufzubringenden Schaufeln einteilig als Gussbauteil gefertigt sein. Die auf der Radrückseite des Laufrads aufzubringenden Schaufeln können auch getrennt von dem Laufrad hergestellt werden. Diese separat hergestellten Schaufeln werden dann durch
stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die
Radrückseite des Laufrads aufgebracht. Bevorzugt werden das Laufrad und die Schaufeln aus Aluminium gefertigt.
Es wird ferner ein radialer Turboverdichter vorgeschlagen, welcher ein
erfindungsgemäßes Laufrad umfasst. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Laufrads vorgeschlagen. Dabei wird die Drehgeschwindigkeit des Laufrads so eingestellt, dass ein gewünschter Massenstrom bei einem gewünschten Druck gefördert wird. Dabei stellt sich auf der Radrückseite des Laufrads eine zweite Druckverteilung ein, die mit einer ersten Druckverteilung auf der Radvorderseite identisch ist oder um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5% von der ersten Druckverteilung abweicht.
Vorteile der Erfindung
Im Betrieb eines radialen Turboverdichters strömt ein Medium wie z.B. Luft an einer Radvorderseite eines beschaufeiten Laufrads in den radialen
Turboverdichter ein und wird dort komprimiert. Durch die im radialen
Turboverdichter stattfindende Druckerhöhung des Mediums wie z.B. Luft stellt sich auf der Radvorderseite eine Druckverteilung ein welche derart ist, dass der Druck auf der Radvorderseite vom Zentrum des Laufrads nach außen zunimmt. Auf der Radrückseite entsteht dagegen eine konstante Druckverteilung. Durch die beiden unterschiedlichen Druckverteilungen auf der Radvorderseite und der Radrückseite entsteht eine resultierende Axialkraft in Richtung der
Radvorderseite. Diese Axialkraft wird an einem Axiallager des radialen
Turboverdichters gegengehalten und erzeugt dort eine hohe Verlustleistung.
Durch das erfindungsgemäße Laufrad und das erfindungsgemäße Verfahren kann die resultierende Axialkraft in einem radialen Turboverdichter, die durch unterschiedliche Druckverteilungen auf der Radvorderseite und der Radrückseite verursacht wird, minimiert oder komplett neutralisiert werden.
Folglich wird die durch die Axialkraft verursachte Verlustleistung am Axiallager des radialen Turboverdichters durch das erfindungsgemäße Laufrad und das erfindungsgemäße Verfahren effizient reduziert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines radialen
Turboverdichters gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine schematische Vorderansicht des radialen Turboverdichters gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine schematische Darstellung von Druckverteilungen einer
Radvorderseite und einer Radrückseite eines Laufrads für den radialen Turboverdichter gemäß dem Stand der Technik,
Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen
Laufrads für einen radialen Turboverdichter,
Figur 5 eine schematische Darstellung von Druckverteilungen einer
Radvorderseite und einer Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer
Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads und
Figur 7 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer
Radrückseite eines erfindungsgemäßen Laufrads.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter radialer Turboverdichter 100 ist in Figur 1 dargestellt. Der radiale Turboverdichter 100 umfasst ein Gehäuse 110, welches einen Verdichtereintritt 120 aufweist, und ein Laufrad 10‘. Das Laufrad 10‘ umfasst eine Radvorderseite 20‘, welche zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40‘ versehen ist, und eine Radrückseite 30‘, welche eben ausgeführt ist. Das Laufrad 10‘ weist ferner eine Bohrung 70‘ zur Aufnahmen eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10‘ um eine Drehachse 60‘.
Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 strömt das Medium in einer axialen Eintrittsrichtung 140 durch den Verdichtereintritt 120 in das Laufrad 10‘ ein und wird dann im radialen Turboverdichter 100 komprimiert und nach außen in einer radialen Laufrichtung 142 abgelenkt.
Figur 2 zeigt eine schematische Vorderansicht des in Figur 1 dargestellten radialen Turboverdichters 100 gemäß dem Stand der Technik.
Das Gehäuse 110 des radialen Turboverdichters 100 weist weiterhin einen Verdichteraustritt 130 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10‘, welches zum Fördern des Mediums auf der Radvorderseite 20‘ mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40‘ versehen ist, in einer Drehrichtung 80‘. Das im radialen Turboverdichter 100 komprimierte Medium strömt dann durch den Verdichteraustritt 130 in einer Austrittsrichtung 150 aus.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Druckverteilung
160‘ der Radvorderseite 20‘ und einer zweiten Druckverteilung 170‘ der
Radrückseite 30‘ des in Figur 1 dargestellten Laufrads 10‘ für den radialen Turboverdichter 100 gemäß dem Stand der Technik. Hierbei ist nur ein Teil des Laufrads 10‘ dargestellt, welcher einem Teil des in Figur 1 dargestellten Laufrads 10‘ entspricht, der oberhalb der Drehachse 60‘ liegt.
Wie in Figur 3 dargestellt, weist das Laufrad 10‘ auf der Radvorderseite 20‘ eine Anzahl von Laufschaufeln 40‘ auf. Die Radrückseite 30‘ ist dabei eben ausgeführt.
Durch die Beschaufelung des Laufrads 10‘ entsteht eine ungleichmäßige erste Druckverteilung 160‘ auf der Radvorderseite 20‘ im Betrieb des radialen
Turboverdichters 100. Die erste Druckverteilung 160‘ auf der Radvorderseite 20‘ ist derart, dass der Druck P auf der Radvorderseite 20‘ sich in Abhängigkeit von einem Abstand S zur Drehachse 60‘ ändert und vom Zentrum des Laufrads 10‘ nach außen zunimmt. Am Rand des Laufrads 10‘ erreicht der Druck P auf der Radvorderseite 20‘ seinen maximalen Wert. Dagegen zeigt auf der eben ausgeführten Radrückseite 30‘ eine vom Abstand S zur Drehachse
60‘ unabhängige, gleichmäßige zweite Druckverteilung 170‘.
Durch die beiden unterschiedlichen Druckverteilungen 160‘ und 170‘ auf der Radvorderseite 20‘ und der Radrückseite 30‘ entsteht eine resultierende
Axialkraft in Richtung der Radvorderseite 20‘. Diese Axial kraft wird an einem Axiallager des radialen Turboverdichters 100 gegengehalten und erzeugt dort eine hohe Verlustleistung
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines
erfindungsgemäßen Laufrads 10 für einen radialen Turboverdichter 100.
Das in Figur 4 dargestellte erfindungsgemäße Laufrad 10 weist eine
Radvorderseite 20 und eine Radrückseite 30. Dabei ist die Radvorderseite 20 zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln 40 versehen. Dabei erzeugen die Laufschaufeln 40 auf der Radvorderseite 20 eine erste Druckverteilung 160 (vgl. Figur 5), die radial nach außen größer wird.
Ein radialer Turboverdichter 100 mit dem Laufrad 10 kann von einem
Elektromotor angetrieben werden. Dabei weist das Laufrad 10 eine Bohrung 70 zur Aufnahme einer Antriebswelle 72 auf.
Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60. Dabei strömt das Medium axial in das Laufrad 10 ein und wird dann im radialen Turboverdichter 100 komprimiert und nach außen radial abgelenkt. Damit eine der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnliche zweite Druckverteilung 170 (vgl. Figur 5) auf der Radrückseite 30 erzeugt werden kann, ist die Radrückseite 30 des Laufrads 10 mit einer Anzahl von Schaufeln 50 versehen.
Die Schaufeln 50 können dabei gradlinig ausgeführt werden. Sie können aber auch strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt werden. Bevorzugt sind die Schaufeln 50 rückwärts gegen die Drehrichtung 80 des Laufrads 10 gekrümmt.
Bevorzugt sind die Schaufeln 50 sternförmig um die Drehachse 60 des Laufrads 10 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 (vgl. Figuren 6 und 7) zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind.
Das Laufrad 10 kann mit den auf der Radrückseite 30 aufzubringenden
Schaufeln 50 einteilig als Gussbauteil gefertigt sein. Die auf der Radrückseite 30 des Laufrads 10 aufzubringenden Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden. Diese separat hergestellten Schaufeln 50 werden dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30 des Laufrads 10 aufgebracht.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Druckverteilung 160 auf einer Radvorderseite 20 und einer zweiten Druckverteilung 170 auf einer Radrückseite 30 eines erfindungsgemäßen Laufrads 10. Hierbei ist nur ein Teil des erfindungsgemäßen Laufrads 10 dargestellt, welcher einem Teil des in Figur 4 dargestellten erfindungsgemäßen Laufrads 10 entspricht, der oberhalb der Drehachse 60 liegt.
Wie in Figur 5 dargestellt, weist das Laufrad 10 auf der Radvorderseite 20 eine Anzahl von Laufschaufeln 40 auf. Die Radrückseite 30 ist dabei mit Schaufeln 50 versehen.
Durch die Laufschaufeln 40 des Laufrads 10 entsteht eine ungleichmäßige erste Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 im Betrieb des radialen
Turboverdichters 100. Die erste Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ist derart, dass der Druck P auf der Radvorderseite 20 sich in Abhängigkeit von einem Abstand S zur Drehachse 60 ändert und vom Zentrum des Laufrads 10 nach außen zunimmt. Am Rand des Laufrads 10 erreicht der Druck P auf der Radvorderseite 20 seinen maximalen Wert.
Durch die Schaufeln 50 entsteht auf der Radrückseite 30 im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 ebenfalls eine ungleichmäßige zweite Druckverteilung 170, welche der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist. Durch die zweite Druckverteilung 170 wird die oben genannte resultierende Axialkraft im radialen Turboverdichter 100 minimiert oder komplett neutralisiert.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Radrückseite 30 des erfindungsgemäßen Laufrads 10.
Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist eine Anzahl von Schaufeln 50 zur Erzeugung einer zweiten Druckverteilung 170 auf der Radrückseite 30, die der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist, auf, wobei in Figur 6 nur ein Teil der Schaufeln 50 dargestellt sind.
Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist ferner eine Bohrung 70 zur Aufnahme eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60.
Die Schaufeln 50 sind gradlinig ausgeführt und sternförmig um die Drehachse 60 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind. Die Schaufeln 50 erstrecken sich auf der Radrückseite 30 vom Zentrum des Laufrads 10 bis zum Rand des Laufrads 10.
Das Laufrad 10 kann zusammen mit den Schaufeln 50 auf der Radrückseite 30 als Gussbauteil einteilig gefertigt sein. Die Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden und dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30
aufgebracht werden. Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Radrückseite 30 des erfindungsgemäßen Laufrads 10.
Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist eine Anzahl von Schaufeln 50 zur Erzeugung einer zweiten Druckverteilung 170 auf der Radrückseite 30 auf, die der ersten Druckverteilung 160 auf der Radvorderseite 20 ähnlich ist wobei in Figur 7 nur ein Teil der Schaufeln 50 dargestellt sind.
Die Radrückseite 30 des Laufrads 10 weist ferner eine Bohrung 70 zur Aufnahme eine Antriebswelle 72 auf. Im Betrieb des radialen Turboverdichters 100 dreht sich das Laufrad 10 um eine Drehachse 60.
Die Schaufeln 50 sind strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt und sternförmig um die Drehachse 60 verteilt, wobei die Zentriwinkel 90 zwischen den benachbarten Schaufeln 50 gleich sind. Dabei sind die Schaufeln 50 rückwärts gegen eine Drehrichtung 80 des Laufrads 10 gekrümmt und die Schaufeln 50 erstrecken sich vom Zentrum des Laufrads 10 bis zum Rand des Laufrads 10.
Das Laufrad 10 kann zusammen mit den Schaufeln 50 auf der Radrückseite 30 als Gussbauteil einteilig gefertigt sein. Die Schaufeln 50 können auch getrennt von dem Laufrad 10 hergestellt werden und dann durch stoffschlüssiges, formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügen auf die Radrückseite 30
aufgebracht werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Laufrad (10) für einen radialen Turboverdichter (100) umfassend eine Radvorderseite (20) und eine Radrückseite (30), wobei die
Radvorderseite (20) zum Fördern eines Mediums mit einer Anzahl von Laufschaufeln (40) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Radrückseite (30) des Laufrads (10) eine Anzahl von Schaufeln (50) aufweist.
2. Laufrad (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schaufeln (50) auf der Radrückseite (30) so geformt und angeordnet sind, dass im Betrieb des radialen Turboverdichters (100) durch die Schaufeln (50) auf der Radrückseite (30) des Laufrads (10) eine zweite Druckverteilung (170) erzeugt wird, die mit einer ersten Druckverteilung (160) auf der Radvorderseite (20) identisch ist oder um weniger als 10% von der ersten Druckverteilung (160) abweicht.
3. Laufrad (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (50) auf der Radrückseite (30) gerade in radialer Richtung von einem Zentrum des Laufrads (10) nach außen ausgeführt sind.
4. Laufrad (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (50) auf der Radrückseite (30) strömungsoptimiert gekrümmt ausgeführt sind.
5. Laufrad (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schaufeln (50) auf der Radrückseite (30) rückwärts gegen eine
Drehrichtung (80) des Laufrads (10) gekrümmt sind.
6. Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaufeln (50) sternförmig um eine
Drehachse (60) des Laufrads (10) auf der Radrückseite (30) verteilt sind, wobei Zentriwinkel (90) zwischen den benachbarten Schaufeln (50) gleich sind.
7. Laufrad (10) nach einem der Ansprüche Ibis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Schaufeln (50) vom Zentrum des
Laufrads (10) bis zum Rand des Laufrads (10) erstrecken.
8. Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Laufrad (10) einteilig als Gussbauteil gefertigt ist.
9. Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaufeln (50) stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig auf die Radrückseite (30) aufgebracht sind.
10. Radialer Turboverdichter (100), welcher ein Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst.
11. Verfahren zum Betrieb eines radialen Turboverdichters (100) mit einem Laufrad (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit des Laufrads (10) so eingestellt wird, dass ein gewünschter Massenstrom bei einem gewünschten Druck gefördert wird, wobei sich auf der Radrückseite (30) des Laufrads (10) eine zweite Druckverteilung (170) einstellt, die mit einer ersten Druckverteilung (160) auf der Radvorderseite (20) identisch ist oder um weniger als 10% von der ersten Druckverteilung (160) abweicht.
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