WO2020053128A1 - Diffusor einer radialturbomaschine - Google Patents

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WO2020053128A1
WO2020053128A1 PCT/EP2019/073949 EP2019073949W WO2020053128A1 WO 2020053128 A1 WO2020053128 A1 WO 2020053128A1 EP 2019073949 W EP2019073949 W EP 2019073949W WO 2020053128 A1 WO2020053128 A1 WO 2020053128A1
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diffuser
dff
vns
axis
rotation
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PCT/EP2019/073949
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nico Petry
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/46—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet

Definitions

  • the invention relates to a diffuser of a radial compressor for arrangement downstream of an impeller, the diffuser extending in a ring around an axis, the diffuser comprising guide vanes which divide the diffuser into individual channels in the circumferential direction, the guide vanes extending from a leading edge to a trailing edge extend along a main flow direction and substantially perpendicular to the main flow direction along a height direction, wherein the diffuser can be flowed through by a process fluid.
  • the fluid leaves the impeller radially outwards and from there reaches the diffuser, which is also flowed through radially outwards.
  • Diffusers can be designed for inspection or without blades.
  • the inven tion relates to such diffusers with blades or Leitschaufeinein. Basically, a distinction is made between so-called low-solidity diffusers (LSD) with a small blade overlap and so-called channel diffusers, which are also referred to as aerodynamic diffusers (AE diffusers).
  • LSD low-solidity diffusers
  • AE diffusers aerodynamic diffusers
  • the AE diffusers offer a very strict guidance of the flow, so that the driving range of a radial compressor equipped in this way is disadvantageously restricted.
  • the low-solidity diffusers offer a significantly wider driving range with relatively moderate losses in efficiency.
  • almost all diffusers with blades are designed as low-solidity diffusers.
  • the reasons for the success of the low-solidity diffuser are the suppression of the rotating stall, which can often occur in the case of an unsupervised annulus, an increase in the efficiency of the stage as a result of the flow being straightened and by means of equalizing the flow over the channel height in the Compared to a diffuser not for inspection, so that any losses in one downstream component (for example feedback stage or spiral) are reduced.
  • a better increase in the characteristic curve to the surge limit is achieved by means of the low solidity diffuser.
  • the invention has made itself based on the disadvantages bishe riger diffuser designs to reduce this after parts and in particular to realize a wider Fahrbe rich.
  • the invention proposes a diffuser of the design defined at the outset with the additional features of the characterizing part of the independent claim 1.
  • the respective dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • the subdivision of the diffuser in the circumferential direction into individual channels does not mean that the guide vanes have a purely radial course.
  • the guide vanes are arranged obliquely to the radial and inclined somewhat in the tangential direction, and are curved in profile. In this way, they separate individual channels from the flow point of view, in particular with regard to the circumferential direction.
  • the channels accordingly have a partly radial and partly tangential course.
  • the definition of the generic term is based on a flat extension of the guiding scales.
  • the Leitschaufein are three-dimensionally formed body, with cross sections to the height direction of the guide vane reflect so-called vane profiles.
  • blade profiles are generally characteristic of the blades and in particular have a characteristic thickness distribution along a skeleton line.
  • the skeleton line can usually be defined as a line that is formed by centers of inscribed circles in the blade profile.
  • Corresponding blade profiles also have a profile center of gravity, which is usually located on the skeleton line or at least in the area of the skeleton line, wherein a corresponding guide blade can also be represented by means of a so-called threading line, which essentially extends along the height direction of the blade extends, the outer contour of the blade being produced by the outer boundary lines of blade profiles “threaded” on the threading line.
  • such guide blades can be of purely cylindrical design (straight threading lines and identical profiles across the blade height) or curved (curved threading line) ) and also, for example, conical (blade profile changing along the height direction) or with an inclination (oblique course of the threading line) or even three-dimensionally essentially freely designed.
  • the invention does not include any of the ones described here variants of geometric guide vane design.
  • the solution according to the invention proposes self-aligning guide vanes, which are preferably designed as low-solidity diffuser guide vanes.
  • No adjustment mechanism and in particular no adjustment drive according to the invention are provided for the guide vanes in the diffuser.
  • Provisions for synchronizing the adjustment of individual guide vanes to one another or all guide vanes to one another may very well be provided.
  • the adjustment itself takes place finally by means of the flow forces acting on the blade. If, for example, the radial turbocompressor is throttled from a first operating point to a second operating point, the reduced result in the diffuser Volume flow a flatter or tangential flow.
  • the flow hits the so-called pressure side of the guide vanes so that a resulting resultant force leads to a torque and the blades, which are designed to be rotatable about their axis of rotation parallel to the height direction, are actively aligned to a different angular position .
  • the axis of rotation is to be selected in such a way that the blade is preferably more tangential and not radial with decreasing volume flow.
  • the suspension of the blade or the rotatably movable fastening of the blade in the diffuser should particularly preferably be provided with a friction element in such a way that a friction force counteracts an adjusting torque. In this way it is ensured that the guide vanes do not automatically align themselves in their angular position when the operating point changes slightly, but only from a certain change threshold. A tendency of the overall arrangement to flutter is excluded in this way.
  • a stop element that limits the maximum adjustment of the angular position at least one guide vane.
  • a stop element is provided on each individual guide blade or groups of guide blades or all guide blades are synchronized with regard to the adjustment behavior, for example by means of a mechanical transmission, so that only one stop element is provided, which results in the desired movement restriction.
  • the axis of rotation at least partially in the upstream third with respect to the extension in the main flow direction of the process fluid along the guide shovel located in the volume of the guide vane.
  • the axis of rotation runs through the upstream third of the blade profiles of the guide vane, preferably with regard to the total height of the guide vane.
  • an advantageous development of the invention provides that the axis of rotation is at least partially arranged in the volume of the respective blade scoop such that a decreasing volume flow of the process fluid through the diffuser leads to a more tangential alignment of the guide vane in the diffuser and an increasing volume flow of the process fluid through lead the diffuser to a more radial alignment of the guide vane by rotating around the axis of rotation.
  • a particularly advantageous application of the diffuser according to the invention provides for implementation in a radial compressor.
  • the axis of rotation is particularly preferably running through the individual blade profiles in the vicinity of the skeleton line of the blade profiles or at least partially intersecting the skeleton line in the blade profile.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through part of a radial turbocompressor comprising a shaft, an impeller and a diffuser according to the invention
  • FIG. 2 shows a section transverse to the axial direction through the inventive diffuser of the radial compressor of Figure 1, as shown in Figure 1 with II-II.
  • FIGS 1, 2 schematically show a radial turbo compressor RTM in sections.
  • 1 shows the radial turbo compressor RTM with a shaft SH, an impeller IMP and parts of a stator STA with a diffuser DFF according to the invention in a longitudinal section along the axis X of the shaft SH shown.
  • the axis X is the axis of rotation for a rotor comprising the shaft SH and the impeller IMP.
  • a section II-II is shown, according to which Figure 2 shows the same arrangement from an axial perspective.
  • the diffuser DFF of the radial compressor RTM is located downstream of the impeller IMP with respect to a flow through a process fluid PFL.
  • the process fluid PFL flows through the arrangement along a main flow direction MFD.
  • the diffuser DFF extends in a ring along a circumferential direction CDR about the axis X.
  • the process fluid PFL is deflected by the impeller IMP from an axial into a radial flow direction and is also guided by swings BLD of the impeller IMP accelerated and subjected to a swirl.
  • the process fluid PFL is already in the downstream diffuser DFF due to the radial
  • Guide vanes VNS of the diffuser DFF divide the diffuser DFF in the circumferential direction CDR into individual channels DCH Guide vanes in VNS extend from a leading edge LEE to a trailing edge TRE along the main flow direction MFD and essentially perpendicular to the main flow direction MFD along a height direction VHD. This arrangement is regularly implemented in this way, but need not necessarily be designed in this way.
  • the guide vanes are fastened in the stator STA so that they can rotate about an axis of rotation RAX parallel to the height direction VHD. There is no separate drive for a specific rotation or win kelppositionung the guide vane. Instead The guide vanes in the VNS automatically align themselves to an angular position depending on the flow through the process fluid. In this way, the arrangement according to the invention is always adapted in terms of flow technology with regard to the angular position of the guide vane to the operating point of the radial compressor RTM.
  • a friction element FRE, FRE ' is provided either on the guide vane VN itself or on a gearbox GER that is kinetically connected to the guide vane VNS, so that rotation about the axis of rotation RAX is made more difficult by friction.
  • the diffuser DFF can be equipped with such a friction element FRE, FRE 'or several such friction elements FRE, FRE' so that fluctuations in the operating point are not transmitted to the guide vane in such a way that there is a vibration load or a fluttering of the VNS is coming.
  • the friction element FRE, FRE ' is designed in such a way that a certain threshold of a change in the operating point is required so that an adjusting force on the respective guide vane VNS is sufficient to overcome the frictional force from the friction element FRE, FRE'.
  • the diffuser DFF also has a stop element RLE, either for each individual guide vane VNS or for a group of guide vanes VNS or for all guide vanes VNS, only one stop element RLE, which is the maximum adjustment of the angular position of at least one guide vane VNS - in FIG. 2 only illustrated by way of example - limited.
  • the stop element RLE shown in Figure 2 limits the angular adjustability of the guide vane VNS to a maximum of 7 °, and as a result of a gear coupling by means of the gearbox GER also all other guide veins VNS accordingly in their
  • the position of the axis of rotation RAX of the individual guide vane VNS is at least partially in the upstream third with respect to the extent in the main flow direction MFD of the process fluid PFL along the guide vane VNS in the volume of the guide vane VNS.
  • the axis of rotation RAX is also arranged on the skeleton line CAL of the blade profile.
  • This arrangement of the axis of rotation RAX and the other fluidic conditions in this exemplary embodiment have the effect that a decreasing volume flow of the process fluid PFL through the diffuser DFF leads to a more tangential alignment of the guide vane in the diffuser DFF - provided the force from the friction element FRE, FRE ' is exceeded by the forces arising from the inflow. Conversely, an increasing volume flow of the process fluid PFL through the diffuser DFF leads to a more radial alignment of the guide vanes in the VNS.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Diffusor (DFF) eines Radialverdichters (RTM) zur Anordnung stromabwärts eines Laufrads (IMP), wobei der Diffusor (DFF) sich ringförmig um eine Achse (X) erstreckt, wobei der Diffusor (DFF) Leitschaufeln (VNS) umfasst, die den Diffusor (DFF) in Umfangsrichtung (CDR) in einzelne Kanäle (DCH) unterteilen, wobei die Leitschaufeln (VNS) sich von einer Anströmkante (LEE) bis zu einer Abströmkante (TRE) entlang einer Hauptströmungsrichtung (MFD) und im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung (MFD) entlang einer Höhenrichtung (VHD) erstrecken, wobei der Diffusor (DFF) von einem Prozessfluid (PFL) durchströmbar ist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei breiterem Betriebsbereich schlägt die Erfindung vor, dass die Leitschaufeln (VNS) ohne einen gesonderten Antrieb um eine Drehachse (RAX) parallel zur Höhenrichtung (VHD) drehbar ausgebildet sind und sich in Abhängigkeit von der Anströmung aufgrund der Anströmung durch das Prozessfluid (PFL) auf eine Winkelposition selbsttätig ausrichten.

Description

Beschreibung
Diffusor einer Radialturbomaschine
Die Erfindung betrifft einen Diffusor eines Radialverdichters zur Anordnung stromabwärts eines Laufrads, wobei der Diffusor sich ringförmig um eine Achse erstreckt, wobei der Diffusor Leitschaufein umfasst, die den Diffusor in Umfangsrichtung in einzelne Kanäle unterteilen, wobei die Leitschaufein sich von einer Anströmkante bis zu einer Abströmkante entlang einer Hauptströmungsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung entlang einer Höhenrichtung erstre cken, wobei der Diffusor von einem Prozessfluid durchströmbar ist .
Bei Radialverdichtern verlässt das Fluid das Laufrad radial nach außen und gelangt von dort in den Diffusor, der eben falls radial nach außen durchströmt wird. Diffusoren können beschaufeit oder ohne Schaufeln ausgeführt sein. Die Erfin dung bezieht sich auf derartige Diffusoren mit Schaufeln bzw. Leitschaufein . Grundsätzlich wird hierbei zwischen sogenann ten Low-Solidity-Diffusoren (LSD) mit geringer Schaufelüber- deckung und sogenannten Kanaldiffusoren, die auch als aerody namische Diffusoren (AE-Diffusor) bezeichnet werden, unter schieden. Die AE-Diffusoren bieten der Strömung eine sehr strikte Führung, so dass der Fahrbereich eines derartig aus gerüsteten Radialverdichters nachteilhaft eingeschränkt ist. Die Low-Solidity-Diffusoren bieten dagegen einen deutlich breiteren Fahrbereich bei verhältnismäßig moderaten Einbußen bezüglich des Wirkungsgrades. Heutzutage sind nahezu alle Diffusoren mit Schaufeln als Low-Solidity-Diffusoren ausge führt. Im einzelnen sind die Gründe für den Erfolg des Low- Solidity-Diffusors die Unterdrückung von Rotating Stall, der im Falle eines unbeschaufeiten Ringraums häufig auftreten kann, eine Steigerung des Wirkungsgrades der Stufe infolge des Aufrichtens der Strömung und mittels Vergleichmäßigung der Strömung über die Kanalhöhe im Vergleich zu einem nicht beschaufeiten Diffusor, so dass etwaige Verluste in einer stromabwärtigen Komponente (beispielsweise Rückführstufe oder Spirale) reduziert sind. Weiterhin wird mittels des Low- Solidity-Diffusors ein besserer Kennlinienanstieg zur Pump grenze erreicht. Diese Vorteile werden beim Einsatz von Low- Solidity-Diffusoren mit einigen Nachteilen erkauft. Hierzu zählen ein im Vergleich zur Variante ohne Schaufeln reduzier ter Fahrbereich bzw. eine schmalere Kennlinie, eine höhere Lärmemission und eine gesteigerte Laufradanregung. In der Bi lanz überwiegen jedoch die Vorteile des sogenannten Low- Solidity-Diffusors , so dass die Nachteile in Kauf genommen werden .
Die Erfindung hat es sich ausgehend von den Nachteilen bishe riger Diffusorausführungen zur Aufgabe gemacht, diese Nach teile zu verringern und insbesondere einen breiteren Fahrbe reich zu verwirklichen.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung einen Diffusor der eingangs definierten Bauweise vor mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des unabhängigen An spruchs 1. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhal ten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ausdrücke wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf die Achse, um die sich der Diffusor ringförmig erstreckt, sofern dies nicht anders angegeben ist.
Die Unterteilung des Diffusors in Umfangsrichtung in einzelne Kanäle bedeutet nicht, dass die Leitschaufein einen rein ra dialen Verlauf aufweisen. In der Regel sind die Leitschaufein schräg angeordnet zur radialen und etwas in tangentialer Richtung geneigt sowie profilgekrümmt ausgebildet. Auf diese Weise trennen sie einzelne Kanäle strömungstechnisch vonei nander insbesondere hinsichtlich der Umfangsrichtung. Die Ka näle haben dementsprechend einen teilweise radialen und teil weise tangentialen Verlauf. Weiterhin stellt die Definition des Oberbegriffs auf eine flächige Erstreckung der Leitschau feln ab. Naturgemäß handelt es sich bei den Leitschaufein um dreidimensional ausgebildete Körper, wobei Querschnitte zur Höhenrichtung der Leitschaufel sogenannte Schaufelprofile wiedergeben. Diese Schaufelprofile sind in der Regel charak teristisch für die Schaufeln und weisen insbesondere eine charakteristische Dickenverteilung entlang einer Skelettlinie auf. Die Skelettlinie kann in der Regel definiert werden als eine Linie, die gebildet wird durch Mittelpunkte von einge schriebenen Kreisen in dem Schaufelprofil. Entsprechende Schaufelprofile weisen außerdem einen Profilschwerpunkt auf, der sich in der Regel auf der Skelettlinie befindet oder zu mindest in dem Bereich der Skelettlinie, wobei sich eine ent sprechende Leitschaufel auch darstellen lässt mittels einer sogenannten Auffädelungslinie, die sich im Wesentlichen ent lang der Höhenrichtung der Schaufel erstreckt, wobei die Au ßenkontur der Schaufel erzeugt wird durch die äußeren Begren zungslinien von auf der Auffädelungslinie „aufgefädelter" Schaufelprofile. Dementsprechend können derartige Leitschau feln rein zylindrisch ausgeführt sein (gerade Auffädelungsli nie und identische Profile über die Schaufelhöhe) oder gebo gen (gebogene Auffädelungslinie) und auch beispielsweise ko nisch (entlang der Höhenrichtung sich veränderndes Schaufel profil) oder mit einer Neigung (schräger Verlauf der Auffäde- lungslinie) oder sogar dreidimensional im Wesentlichen frei gestaltet. Die Erfindung schließt keine der hier beschriebe nen Varianten geometrischer Leitschaufelgestaltung aus.
Die erfindungsgemäße Lösung schlägt sich selbst ausrichtende Leitschaufein vor, die bevorzugt als Low-Solidity-Diffusor- Leitschaufein ausgebildet sind. Für die Leitschaufein des Diffusors wird kein Verstellmechanismus und insbesondere kein Verstellantrieb nach der Erfindung vorgesehen. Sehr wohl kön nen Vorkehrungen zur Synchronisierung der Verstellung einzel ner Leitschaufein zueinander oder aller Leitschaufein zuei nander vorgesehen sein. Die Verstellung selbst erfolgt aus schließlich mittels der auf die Schaufel wirkenden Strömungs kräfte. Wird beispielsweise der Radialturboverdichter von ei nem ersten Betriebspunkt zu einem zweiten Betriebspunkt ge drosselt, ergibt sich im Diffusor aufgrund des reduzierten Volumenstroms eine flachere bzw. tangentialere Strömung. Dem entsprechend trifft die Strömung stärker auf die sogenannte Druckseite der Leitschaufein, so dass eine sich ergebende re sultierende Kraft zu einem Drehmoment führt und die Schau feln, die um ihre Drehachse parallel zur Höhenrichtung dreh bar ausgebildet sind, auf eine andere Winkelposition selbst tätig ausgerichtet werden. Hierbei ist die Drehachse derart zu wählen, dass die Schaufel sich bei abnehmendem Volumen strom bevorzugt tangentialer und nicht radialer stellt.
Besonders bevorzugt sollte die Aufhängung der Schaufel bzw. die drehbar bewegliche Befestigung der Schaufel in dem Diffu sor derart mit einem Reibelement versehen sein, dass eine Reibkraft einem verstellenden Drehmoment entgegenwirkt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Leitschaufein sich nicht schon bei geringfügiger Veränderung des Betriebspunktes in ihrer Winkelposition selbsttätig ausrichten, sondern erst ab einer bestimmten Veränderungsschwelle. Eine Flatterneigung der Gesamtanordnung ist auf diese Weise ausgeschlossen.
Weiterhin ist es sinnvoll, wenn ein Anschlagelement vorgese hen ist, das die maximale Verstellung der Winkelposition min destens einer Leitschaufel begrenzt. Besonders zweckmäßig ist entweder an jeder einzelnen Leitschaufel ein derartiges An schlagelement vorgesehen oder Gruppen von Leitschaufein oder alle Leitschaufein sind hinsichtlich des Verstellverhaltens beispielsweise mittels eines mechanischen Getriebes synchro nisiert, so dass nur ein Anschlagelement vorgesehen wird, das die gewünschte Bewegungseinschränkung zur Folge hat. Beson ders zweckmäßig ist die Verdrehbarkeit der Leitschaufein mit tels eines oder mehrerer Anschlagelemente jeweils auf einen Winkelbereich bis maximal 7°, bevorzugt bis maximal 3° be grenzt .
Für eine besonders zweckmäßige Ausrichtung der Leitschaufein ist es sinnvoll, wenn sich die Drehachse zumindest teilweise im stromaufwärtigen Drittel bezüglich der Erstreckung in Hauptströmungsrichtung des Prozessfluids entlang der Leit- schaufei im Volumen der Leitschaufel befindet. Anders ausge drückt: Die Drehachse verläuft durch das stromaufwärtige Drittel der Schaufelprofile der Leitschaufein bevorzugt be züglich der gesamten Höhenerstreckung der Leitschaufel .
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Drehachse derartig zumindest teilweise im Volumen der je weiligen Leischaufel angeordnet ist, dass ein abnehmender Vo lumenstrom des Prozessfluids durch den Diffusor zu einer tan- gentialeren Ausrichtung der Leitschaufel im Diffusor und ein zunehmender Volumenstrom des Prozessfluids durch den Diffusor zu einer radialeren Ausrichtung der Leitschaufel mittels Dre hung um die Drehachse führen.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Diffusors sieht die Umsetzung in einem Radialverdichter vor. Besonders bevorzugt befindet sich die Drehachse verlaufend durch die einzelnen Schaufelprofile in der Nähe der Skelett linie der Schaufelprofile oder zumindest teilweise auch die Skelettlinie schneidend in dem Schaufelprofil.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be schrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Radial turboverdichters umfassend eine Welle, ein Laufrad und einen erfindungsgemäßen Diffusor und
Figur 2 einen Schnitt quer zur Achsrichtung durch den er findungsgemäßen Diffusor des Radialverdichters der Figur 1, wie in Figur 1 mit II-II ausgewiesen.
Die Figuren 1, 2 zeigen einen Radialturboverdichter RTM sche matisch ausschnittsweise. In der Figur 1 ist der Radialturbo verdichter RTM mit einer Welle SH, einem Laufrad IMP und Tei len eines Stators STA mit einem erfindungsgemäßen Diffusor DFF in einem Längsschnitt entlang der Achse X der Welle SH dargestellt. Die Achse X ist hierbei die Drehachse für einen Rotor umfassend die Welle SH und das Laufrad IMP. In der Fi gur 1 ist ein Schnitt II-II ausgewiesen, wonach die Figur 2 die gleiche Anordnung aus axialer Perspektive darstellt.
Identische Bezugszeichen in den Figuren bedeuten identische Bauteile .
Der Diffusor DFF des Radialverdichters RTM befindet sich stromabwärts des Laufrads IMP bezüglich einer Durchströmung mittels eines Prozessfluids PFL. Das Prozessfluid PFL durch strömt die Anordnung entlang einer Hauptströmungsrichtung MFD. Der Diffusor DFF erstreckt sich ringförmig entlang einer Umfangsrichtung CDR um die Achse X. Das Prozessfluid PFL wird durch das Laufrad IMP aus einer axialen in eine radiale Strö mungsrichtung umgelenkt und hierbei auch geführt durch Schau feln BLD des Laufrades IMP beschleunigt sowie mit einem Drall beaufschlagt. In dem stromabwärts befindlichen Diffusor DFF wird das Prozessfluid PFL schon aufgrund der radialen
Aufweitung verzögert und dementsprechend gemäß Bernulli er höht sich der Druck des Prozessfluids PFL. Gleichzeitig wird die Strömung „aufgerichtet" bzw. es werden die in Umfangs richtung CDR nach Austritt aus dem Laufrad IMP vorliegenden Geschwindigkeitskomponenten zumindest teilweise in radiale Richtung umgelenkt. Leitschaufein VNS des Diffusors DFF un terteilen den Diffusor DFF in Umfangsrichtung CDR in einzelne Kanäle DCH. Die Leitschaufein VNS erstrecken sich von einer Anströmkante LEE bis zu einer Abströmkante TRE entlang der Hauptströmungsrichtung MFD und im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung MFD entlang einer Höhenrichtung VHD. Die Höhenrichtung VHD der Leitschaufein VNS fällt in dem Ausführungsbeispiel mit der Axialrichtung der Achse X paral lel aus. Diese Anordnung ist regelmäßig derart umgesetzt, muss aber nicht zwingend so gestaltet sein.
Die Leitschaufein sind in dem Stator STA um eine Drehachse RAX parallel zur Höhenrichtung VHD drehbar befestigt. Es ist kein gesonderter Antrieb für eine gezielte Drehung oder Win kelpositionierung der Leitschaufein vorgesehen. Stattdessen richten sich die Leitschaufein VNS in Abhängigkeit von der Anströmung durch das Prozessfluid auf eine Winkelposition selbsttätig aus. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße An ordnung strömungstechnisch stets hinsichtlich der Winkelposi tion der Leitschaufel an den Betriebspunkt des Radialverdich ters RTM angepasst.
Entweder an der Leitschaufel VNS selbst oder an einem mit der Leitschaufel VNS in kinetischer Verbindung stehenden Getriebe GER ist ein Reibelement FRE, FRE ' vorgesehen, damit eine Dre hung um die Drehachse RAX mittels Reibung erschwert ist.
Grundsätzlich kann der Diffusor DFF mit einem derartigen Reibelement FRE, FRE' oder mehreren derartiger Reibelemente FRE, FRE' ausgestattet sein, damit Schwankungen im Betriebs punkt sich nicht in der Weise auf die Leitschaufein VNS über tragen, dass es zu einer Schwingungsbelastung oder einem Flattern der Leitschaufein VNS kommt. Das Reibelement FRE, FRE' ist derart gestaltet, dass eine bestimmte Schwelle einer Betriebspunktsveränderung erforderlich ist, dass eine Vers tellkraft auf die jeweilige Leitschaufel VNS ausreichend ist, die Reibkraft aus dem Reibelement FRE, FRE' zu überwinden.
Der Diffusor DFF weist außerdem ein Anschlagelement RLE ent weder für jede einzelne Leitschaufel VNS oder für eine Gruppe von Leitschaufein VNS oder für alle Leitschaufein VNS nur ein Anschlagelement RLE auf, das die maximale Verstellung der Winkelposition mindestens einer Leitschaufel VNS - ist in der Figur 2 nur beispielhaft dargestellt - begrenzt. Das in Figur 2 gezeigte Anschlagelement RLE begrenzt die Winkelverstell barkeit der Leitschaufel VNS auf maximal 7°, wobei infolge einer getrieblichen Koppel mittels des Getriebes GER auch al le übrigen Leitschaufein VNS dementsprechend in ihrer
Verdrehbarkeit eingeschränkt sind. Die Position der Drehachse RAX der einzelnen Leitschaufel VNS befindet sich zumindest teilweise im stromaufwärtigen Drittel bezüglich der Erstre ckung in Hauptströmungsrichtung MFD des Prozessfluids PFL entlang der Leitschaufel VNS im Volumen der Leitschaufel VNS. In der Schnittdarstellung in Figur 2 äußert sich dieses Merk- mal darin, dass die dort wiedergegebenen Schaufelprofil schnitte der Leitschaufein VNS die Position der Drehachse RAX im stromaufwärtigen Drittel - also näher an der Eintrittskan te LEE - aufweisen. Die Drehachse RAX ist in dem Ausführungs- beispiel außerdem auf der Skelettlinie CAL des Schaufelpro fils angeordnet. Diese Anordnung der Drehachse RAX und die sonstigen strömungstechnischen Gegebenheiten an diesem Aus führungsbeispiel bewirken, dass ein abnehmender Volumenstrom des Prozessfluids PFL durch den Diffusor DFF zu einer tangen- tialeren Ausrichtung der Leitschaufel im Diffusor DFF führt - sofern die Kraft aus dem Reibelement FRE, FRE ' durch die von der Anströmung entstehenden Kräfte überschritten wird. Umge kehrt führt ein zunehmender Volumenstrom des Prozessfluids PFL durch den Diffusor DFF zu einer radialeren Ausrichtung der Leitschaufein VNS.

Claims

Patentansprüche
1. Diffusor (DFF) eines Radialverdichters (RTM) zur Anord nung stromabwärts eines Laufrads (IMP), wobei der Dif fusor (DFF) sich ringförmig um eine Achse (X) er streckt, wobei der Diffusor (DFF) Leitschaufein (VNS) umfasst, die den Diffusor (DFF) in Umfangsrich
tung (CDR) in einzelne Kanäle (DCH) unterteilen, wobei die Leitschaufein (VNS) sich von einer Anström- kante (LEE) bis zu einer Abströmkante (TRE) entlang ei ner Hauptströmungsrichtung (MFD) und im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung (MFD) entlang einer Höhenrichtung (VHD) erstrecken,
wobei der Diffusor (DFF) von einem Prozessfluid (PFL) durchströmbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufein (VNS) ohne einen gesonderten An trieb um eine Drehachse (RAX) parallel zur Höhenrich tung (VHD) drehbar ausgebildet sind und sich in Abhän gigkeit von der Anströmung aufgrund der Anströmung durch das Prozessfluid (PFL) auf eine Winkelposition selbsttätig ausrichten.
2. Diffusor (DFF) nach Anspruch 1, wobei der Diffu
sor (DFF) mindestens ein Reibelement (FRE) aufweist, das die Drehung mindestens einer Schaufel (VNS) um die Drehachse (RAX) mittels Reibung erschwert.
3. Diffusor (DFF) nach mindestens einem der Ansprüche 1,
2,
wobei der Diffusor (DFF) mindestens ein Anschlagele ment (RLE) aufweist, das die maximale Verstellung der Winkelposition mindestens einer Leitschaufel (VNS) be grenzt .
4. Diffusor (DFF) nach Anspruch 3,
wobei das mindestens eine Anschlagelement (RLE) die ma ximale Verdrehbarkeit der Leitschaufein (VNS) auf einen Winkelbereich bis maximal 7 Grad, bevorzugt bis maximal 3 Grad begrenzt.
5. Diffusor (DFF) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 - 4,
wobei die Drehachse (RAX) sich zumindest teilweise im stromaufwärtigen Drittel bezüglich der Erstreckung in Hauptströmungsrichtung (MFD) des Prozessfluids (PFL) entlang der Leitschaufel (VNS) im Volumen der Leit schaufel (VNS) befindet.
6. Diffusor nach mindestens einem der vorhergehenden An sprüche 1 - 5,
wobei die Drehachse (RAX) derartig zumindest teilweise im Volumen der jeweiligen Leitschaufel (VNS) angeordnet ist, dass ein abnehmender Volumenstrom des
Prozessfluids (PFL) durch den Diffusor (DFF) zu einer tangentialeren Ausrichtung der Leitschaufel (VNS) im Diffusor (DFF) und ein zunehmender Volumenstrom des Prozessfluids (PFL) durch den Diffusor (DFL) zu einer radialeren Ausrichtung der Leitschaufel (VNS) mittels Drehung um die Drehachse (RAX) führen.
PCT/EP2019/073949 2018-09-11 2019-09-09 Diffusor einer radialturbomaschine WO2020053128A1 (de)

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DE102018215436.8 2018-09-11
DE102018215436.8A DE102018215436A1 (de) 2018-09-11 2018-09-11 Diffusor einer Radialturbomaschine

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