[0001] Die Erfindung betrifft einen Diffusor eines Radialturboverdichters, wobei der Diffusor
sich ringförmig um eine zentrale Achse erstreckt, wobei der Diffusor eine Zuströmung
aufweist, die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung für eine
zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids im Betrieb
ausgebildet ist, wobei der Diffusor stehende Leitschaufeln aufweist, die den Diffusor
zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
wobei sich die Leitschaufeln in Richtung der Durchströmung von einer Eintrittskante
bis zu einer Austrittskante im axialen Mittel entlang einer mittleren Sehnenlänge
erstrecken, wobei der Diffusor im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen
Seite eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine
zweite Diffusorbegrenzungskontur aufweist, wobei sich die Leitschaufeln zumindest
entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten
Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur entlang einer
Schaufelhöhe erstrecken.
[0002] Bei Radialverdichtern verlässt das Fluid das Laufrad nach radial außen und gelangt
von dort in den Diffusor, welcher typischerweise ebenfalls radial von innen nach außen
durchströmt wird. Der Diffusor gemäß der Erfindung ist beschaufelt ausgeführt. Hinsichtlich
der Beschaufelung wird zwischen Low-Solidity-Diffusoren [LSD] mit geringer Schaufelüberdeckung
(mit Leitschaufeln, die einen verhältnismäßig großen Abstand zueinander in Umfangsrichtung
im Verhältnis zu deren Radialerstreckung aufweisen) und Kanaldiffusoren - auch als
aerodynamische Diffusoren [AE-Diffusor] bezeichnet - unterschieden. Ein erfindungsgemäßer
Diffusor ist vorzugsweise als LSD ausgebildet.
[0003] Diffusoren für Radialmaschinen sind bereits aus der
EP 2 650 546 A1 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Leitschaufeln des Diffusors in geneigter Form
in einem hinter dem Laufrad angeordneten stehenden Diffusor anzuordnen (dihedral vanes).
Insbesondere beim LSD soll mittels dieser aerodynamischen Maßnahme ein verringerter
Druckverlust erzielt werden.
[0005] Aus der
US4850795A und der
EP446900B1 sind bereits Anordnungen mit Rippenleitschaufeln bekannt.
[0006] Bei einem kombinierten Einsatz von Rippenleitschaufeln und Leitschaufeln, die sich
- anders als die Rippenleitschaufeln - über die gesamte axiale Kanalhöhe des Diffusors
erstrecken, wobei die Rippenleitschaufeln sich stromaufwärts der anderen Leitschaufeln
befinden, ist es von Nachteil, dass die Rippenleitschaufeln im Bereich ihres axialen
Abschlusses im Strömungskanal Ablösungserscheinungen in der Durchströmung auslösen
können. Daneben ist es nachteilhaft, dass die Rippenleitschaufeln einen sich über
einen Teil der Kanalhöhe erstreckenden Totwasserbereich stromabwärts verursachen können,
so dass in axialer Betrachtungsweise das Strömungsbild durch den Diffusor durch den
Einsatz der Rippenleitschaufeln zusätzlich weniger gleichmäßig werden kann, so dass
positive Wirkungen in aerodynamischer Hinsicht zumindest teilweise wieder aufgehoben
werden.
[0007] Insbesondere motiviert von der Vermeidung unverhältnismäßiger Ablöseerscheinungen
hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine gleichmäßigere Strömungsführung
bereitzustellen und gleichzeitig den Vorteil anzubieten, den eine gesonderte Strömungsführung
seitens einer Deckscheibenseite des Diffusors bietet - wie diese beispielsweise mittels
stromaufwärts vorgesehener Rippenleitschaufeln erfolgt - bereitzustellen.
[0008] Zur Lösung des Problems wird ein Diffusor bzw. ein Radialturboverdichter mit einem
solchen Diffusor mit den eingangs definierten Merkmalen vorgeschlagen, der die zusätzlichen
Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 aufweist. Die rückbezogenen Unteransprüchen
beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
[0009] Begriffe, wie radial, axial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich auf die
eingangs definierte Achse, um die sich der Diffusor ringförmig erstreckt. Diese Achse
ist im Falle eines Turboverdichters bzw. eines Radialturboverdichters koaxial zu der
Drehachse des Rotors.
[0010] Sämtliche Winkelangaben beziehen sich hierbei stets auf die gegenständlichen Winkel
an den tatsächlichen geometrischen Formen - kurz: Metallwinkel.
[0011] Unter einer Profilmittellinie versteht die Erfindung eine gedachte Linie, die sich
durch die Mitte eines Schaufelprofiles erstreckt. Hierbei wird das Schaufelprofil
als eine zweidimensionale Form aufgefasst. Die Profilmittellinie kann in dieser zweidimensionalen
Form konstruiert werden, indem beispielsweise die Mittelpunkte aller eingeschriebenen
Kreise mittels einer Linie - der Profilmittellinie - verbunden werden.
[0012] Der Diffusor wird axial von Diffusorbegrenzungskonturen definiert. Hierbei ist der
Begriff "Diffusorbegrenzungskonturen" nicht derart zu verstehen, dass die Diffusorbegrenzungskonturen
immer eine axiale Flächennormale aufweisen. Vielmehr soll dieser Begriff bedeuten,
dass die Diffusorbegrenzungskonturen jedenfalls eine Radialerstreckung aufweisen und
- auch wenn sie einen gegenüber der Radialen oder Axialen schrägen Verlauf aufweisen
- den Diffusor in Axialrichtung begrenzen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass sich in radialer Richtung der Axialabstand zwischen
Diffusorbegrenzungskonturen aufweitet.
[0013] Insbesondere im Falle des Radialturboverdichters ist der Diffusor ein strömungsleitendes
Bauteil des Stators, das sich stromabwärts des Laufradaustritts befindet. In dem Diffusor
wird in der Regel die Strömungsgeschwindigkeit des Prozessfluids verzögert, so dass
sich gemäß den Gesetzmäßigkeiten von Bernoulli ein Druckaufbau ergibt.
[0014] Im Falle des Radialturboverdichters und eines sich im Wesentlichen radial nach außen
erstreckenden Diffusors ergibt sich die Diffusor-Wirkung schon allein durch die radiale
Zunahme der durchströmten Querschnittsfläche. Zusätzlich von Bedeutung ist eine Veränderung
der Diffusorkanalbreite, die sich im Regelfall als die axiale Erstreckung der lichten
Weite des Diffusors ergibt. Grundsätzlich kann sich der Diffusor auch abweichend von
der Radialrichtung erstrecken. Die meisten Diffusoren erstrecken sich weitestgehend
radial. Die Diffusorkanalbreite wird begrenzt durch an beiden Seiten vorgesehenen
Diffusorbegrenzungskonturen. Im Falle eines sich rein radial erstreckenden Diffusors
ohne axiale Aufweitung laufen die Diffusorbegrenzungskonturen ebenfalls rein radial.
Aufgrund der axialen Ansaugung eines Radialturboverdichters und der radialen Ausgabe
des Prozessfluids aus dem Laufrad findet in dem Laufrad eine Umlenkung von axial nach
radial statt. Das Laufrad ist hierbei in der Regel mit einer Radscheibe aufgebaut,
die mit einer Welle-Nabe-Verbindung das Laufrad mit der Welle verbindet. Diejenige
Seite, die nicht die axiale Ansaugung des Laufrades aufweist, wird hierbei als die
Nabenseite bezeichnet. Die andere gegenüberliegende Axialseite wird als Gehäuseseite
bezeichnet. Bei Laufrädern, die gehäuseseitig eine Deckscheibe aufweisen, wird diese
Gehäuseseite auch häufig als die Deckscheibenseite bezeichnet.
[0015] Unter einer Schaufelhöhe versteht die Erfindung die Erstreckung der Schaufel senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung. Folgt man einem - für die Hauptströmungsrichtung - repräsentativen
Strömungsfaden durch die Anordnung der Erfindung, beispielsweise durch den Diffusor,
so erstreckt sich dieser Strömungsfaden im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der
Schaufelhöhe. Erstreckt sich dieser Strömungsfaden in etwa mittig durch die Anordnung
wird er in etwa bei 50% der Schaufelhöhe liegen.
[0016] Unter stehenden Leitschaufeln versteht die Erfindung Leitschaufeln, die fest mit
dem Stator verbunden sind und sich nicht zum Zwecke der Veränderung strömungstechnischer
Bedingungen im Betrieb relativ zu dem Rest des Stators bewegen lassen. Diese Leitschaufeln
teilen den Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente
auf. Eine derartige Aufteilung erfolgt in der Regel nicht strickt mittels rein radial
verlaufender Leitschaufeln, sondern ist mittels schräg zur Radialen sich erstreckender
Leitschaufeln gegeben. In dem Bereich der geschwungenen Eintrittskante ist eine derartige
Segmentaufteilung nicht über die gesamte axiale Kanalbreite gegeben. Die Erfindung
sieht jedoch vor, dass zumindest radial-abschnittsweise die Leitschaufeln sich über
die gesamte Kanalbreite erstrecken und dadurch Umfangssegmente voneinander getrennt
sind. Die Umfangssegmente des Anspruchs 1 bzw. des Patentanspruchssatzes sind begrifflich
synonym mit Strömungskanälen zwischen den Leitschaufeln des Diffusors, die sich im
Wesentlichen von radial innen nach radial außen erstrecken bzw. entlang dieser Richtung
durchströmt werden.
[0017] Unter einer mittleren Sehnenlänge versteht die Erfindung einen Mittelwert der Sehnenlänge
gemittelt über die axiale Höhe der Leitschaufel. Die Sehnenlänge ist die Länge der
Profilsehne - also einer gedachten Verbindungslinie zwischen der Profilnase und der
Profilhinterkante bzw. der Eintrittskante der Leitschaufel und der Austrittskante.
Da das Profil nach der Erfindung über die Schaufelhöhe nicht konstant ist, nimmt die
Begriffswelt der Erfindung Bezug auf eine mittlere Sehnenlänge gemittelt über die
Höhe der Leitschaufel.
[0018] Die Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass die geschwungene Eintrittskante
der Leitschaufel das aus dem Laufrad austretende Prozessfluid auf der Deckscheibenseite
signifikant früher bzw. weiter stromaufwärts führt als seitens der Radscheibe bzw.
auf der Nabenseite. Weiterhin sorgt die Erfindung für einen stetigen Übergang zwischen
der frühen Annahme des Prozessfluids auf der Deckscheibenseite durch die Strömungsführung
der Leitschaufel und der späteren bzw. stromabwärtigeren Annahme des Prozessfluids
durch die Leitschaufel auf der Nabenseite. Dieser gleitende Übergang durch die geschwungene
Eintrittskante sorgt insgesamt für eine harmonischere oder gleichmäßigere Strömungsentwicklung,
so dass die Strömungsverluste in dem Bereich reduziert sind und die Strömung weniger
zur Ablösung neigt.
[0019] Unter dem Attribut "geschwungen ausgebildet" versteht die Erfindung einen "nicht
eckigen" Verlauf also einen Verlauf mit stetigem Krümmungsverlauf. In diesem Zusammenhang
sind die Begriffe "geschwungen ausgebildet", ""nicht eckiger Verlauf" und "stetigem
Krümmungsverlauf" für die Erfindung synonym. In der Regel und bevorzugt handelt es
sich um einen bogenförmigen Verlauf mit sich verändernder Krümmung.
[0020] Die Erfindung schlägt daher vor, dass seitens der ersten axialen Seite die Eintrittskante
der Leitschaufeln im Wesentlichen entlang der Richtung der Durchströmung um einen
Versatz stromaufwärts versetzt ist, wobei der Versatz mindestens 30% der axialen Leitschaufelhöhe
bzw. der axialen Kanalbreite des Diffusors beträgt. Eine noch gleichmäßigere Strömung
kann nach der Erfindung häufig erreicht werden, wenn der Versatz mindestens 50% der
axialen Diffusorkanalbreite beträgt.
[0021] Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit nach der Erfindung, den erfindungsgemäßen Versatz
hinsichtlich der Tangentialprojektion der Eintrittskanten zu bemessen, besteht darin,
dass der Versatz mindestens 20% der mittleren Sehnenlänge der Leitschaufeln beträgt.
Aerodynamisch ist ein Versatzes von mindestens 30% der mittleren Sehnenlänge der Leitschaufeln
sinnvoll.
[0022] Besonders zweckmäßig ist die Gestaltung der tangentialen Projektion der Eintrittskante,
wenn diese mindestens einen Wendepunkt im Bereich der axialen Kanalbreite des Diffusors
aufweist. Besonders zweckmäßig und aerodynamisch effizient wird die Anordnung nach
der Erfindung, wenn ein Winkel zwischen den Tangenten an einer tangentialen Projektion
der Eintrittskante und einer tangentialen Projektion der ersten Diffusorbegrenzungskontur
mindestens 45° beträgt, bevorzugt mindestens 75°. Eine vorteilhafte Weiterbildung
sieht vor, dass der Winkel zwischen der Tangente an einer tangentialen Projektion
der Eintrittskante und einer tangentialen Projektion der zweiten Diffusorbegrenzungskontur
mindestens 45° beträgt, bevorzugt mindestens 75°.
[0023] Besonders zweckmäßig ist die Gestaltung der erfindungsgemäßen geschwungenen Eintrittskante,
wenn der Wendepunkt der tangentialen Projektion der Eintrittskante näher an der ersten
Diffusorbegrenzungskontur angeordnet ist als an der zweiten Diffusorbegrenzungskontur.
Hierbei ist es sinnvoll, für den Fall das mehrere Wendepunkte dieser Art vorliegen,
dass dieses Kriterium für mindestens einen Wendepunkt zutreffend ist.
[0024] Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Radialturboverdichter mit einem Diffusor
der erfindungsgemäßen Ausbildung.
[0025] Im Folgenden ist die Erfindung anhand verschiedener Figuren zum besseren Verständnis
unter Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele illustriert. Es zeigen:
- Figur 1
- einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse durch einen Radialturboverdichter
mit einem erfindungsgemäßen Diffusor,
- Figuren 2, 3, 4
- jeweils das Detail II aus Figur 1 in verschiedenen Varianten,
- Figur 5
- einen Schnitt V-V entlang einer Hauptströmungsrichtung gemäß Figur 1.
[0026] Figur 1 zeigt einen Radialverdichter RTC mit einem Diffusor DFR und einem stromaufwärts
des Diffusors DFR angeordneten Laufrad IMP. Das Laufrad IMP und der Diffusors DFR
erstrecken sich ringförmig entlang einer Umfangsrichtung CDR einer Achse X mit einer
Drehachse ROT. Das Laufrad IMP ist einer bestimmten Axialposition an einer um die
Drehachse ROT bzw. die koaxial zur Drehachse ROT angeordnete Achse X drehbar gelagerte
Welle SHT befestigt. Das Laufrad IMP weist eine Radscheibe H, Laufradschaufeln BLD
und eine Deckscheibe SHR auf, wobei die Laufradschaufeln BLD Strömungskanäle ausbildend
sich befestigt zwischen der Radscheibe H und der Deckscheibe SHR befinden. Ein Prozessfluid
PFL wird axial angesaugt und in die Radialrichtung nach außen umgelenkt, wo es aus
dem rotierenden Laufrad IMP im Betrieb austretend in einen statischen Diffusor DFR
gelangt.
[0027] Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Radialverdichters RTC ist gegeben
durch die Anordnung eines offenen Laufrads IMP ohne Deckscheibe SHR. Diese Variante
ist nicht gesondert dargestellt, sondern die Deckscheibe SHR - dargestellt in Figur
1 - kann als optional aufgefasst werden.
[0028] Aus dem Diffusor DFR strömt das Prozessfluid PFL in eine Sammelspirale VOL ein. Von
dort aus wird das Prozessfluid PFL aus dem Radialturboverdichter RTC in nicht dargestellter
Weise stromabwärts befindlichen Aggregaten zugeführt.
[0029] Die Figuren 2 - 4 zeigen schematisch das in der Figur 1 mit II ausgewiesene Detail,
wobei unterschiedliche Varianten dieses Details dargestellt sind. In tangentialer
Projektion weist die gezeigte Leitschaufel VNS des Diffusors DFR jeweils eine erfindungsgemäße
geschwungene Eintrittskante LDG auf. Eine maximale Sehnenlänge XCL ist jeweils in
den Figuren angegeben, ebenso ist die minimale Sehnenlänge YCL angegeben. Schematisch
eingezeichnet zwischen diesen beiden extremen Werten ist eine mittlere Sehnenlänge
MCL. Ein Versatz zwischen der Eintrittskante LDG auf der ersten axialen Seite und
der Eintrittskante LDG auf der zweiten axialen Seite ist erfindungsgemäß mit Versatz
DCL angegeben. Die auf der ersten axialen Seite stromaufwärts um den Versatz DCL versetzte
Eintrittskante LDG führt das Prozessfluid, das in den Diffusor DFR eintritt, schon
etwas weiter stromaufwärts, so dass die Inhomogenität des abströmenden Prozessfluids
aus dem Laufrad IMP über die axialen Kanalbreite besser berücksichtigt ist. Die Leitschaufel
VNS erstreckt sich zumindest über einen Teilabschnitt axial über die gesamte Kanalbreite
mit einer axialen Leitschaufelhöhe AVH. Die tangentiale Projektion der Eintrittskante
LDG weist mindestens einen Wendepunkt WP auf, der bevorzugt näher an der ersten Diffusorbegrenzungskontur
DC1 liegt als an der zweiten Diffusorbegrenzungskontur DC2. Ein Winkel α zwischen
Tangenten an einer tangentialen Projektion der Eintrittskante LDG und einer tangentialen
Projektion der ersten Diffusorbegrenzungskontur DC1 beträgt bevorzugt mindestens 75°
(Figur 3), besonders bevorzugt mindestens 90° (Figuren 2, 4). Hierbei bedeutet der
Winkel α derjenige Winkel zwischen den beiden Tangenten, der den freien Raum zwischen
der ersten Diffusorbegrenzungskontur DC1 und der Eintrittskante LDG der Leitschaufel
VNS definiert und nicht derjenige Winkel, der sich innerhalb des Festkörpers bzw.
des Materials der Leitschaufel VNS befindet. Ein auf der gegenüberliegenden zweiten
Diffusorbegrenzungskontur DC2 befindlicher zweiter Winkel β weist bevorzugt die gleichen
Bedingungen auf, wie in den Figuren 2, 3 dargestellt.
[0030] Die Variante, die in Figur 4 dargestellt ist, zeigt im Wesentlichen zwei Wendepunkte
WP, wobei besonders bevorzugt die tangentiale Projektion der Eintrittskante LDG im
Wesentlichen mit einem zweiten Winkel β von etwa 90° oder mehr in die zweite Begrenzungskontur
DC2 eintritt.
[0031] Figur 5 zeigt einen in Figur 3 als V-V illustrierten Schnitt, der schematisch die
Anordnung der Leitschaufeln VNS in dem Diffusor DFR zeigt. Die Leitschaufeln VNS erstrecken
sich von einer Eintrittskante LDG bis hin zu einer Austrittskante TRG, wobei eine
Sehnenlänge CDL bzw. eine mittlere Sehnenlänge MCL oder je nach Anordnung des Schnitts
entlang der axialen Höhe AVH eine minimale Sehnenlänge YCL oder eine maximale Sehnenlänge
XCL für das jeweilige Profil charakteristisch sind.
1. Diffusor (DFR) eines Radialturboverdichters (RTC),
wobei der Diffusor (DFR) sich ringförmig um eine zentrale Achse (X) erstreckt,
wobei der Diffusor (DFR) eine Zuströmung (INL) aufweist,
die entlang zumindest eines ersten Abschnitts (SG1) der Durchströmung für eine zumindest
weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids (PFL) im Betrieb ausgebildet
ist,
wobei der Diffusor (DFR) stehende Leitschaufeln (VNS) aufweist, die den Diffusor (DFR)
zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
wobei sich die Leitschaufeln (VNS) in Richtung der Durchströmung von einer Eintrittskante
(LDG) bis zu einer Austrittskante (TRG) im axialen Mittel entlang einer mittleren
Sehnenlänge (MCL) erstrecken,
wobei der Diffusor (DFR) im Bereich des ersten Abschnitts (SG1) auf einer ersten axialen
Seite (SRS) eine erste Diffusorbegrenzungskontur (DC1) und auf einer zweiten axialen
Seite (HBS) eine zweite Diffusorbegrenzungskontur (DC2) aufweist,
wobei sich die Leitschaufeln (VNS) zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in
Durchströmungsrichtung quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur (DC1) bis
zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur (DC2) entlang einer Schaufelhöhe (AVH) erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eintrittskante (LDG) im tangentialer Projektion geschwungen ausgebildet ist, wobei
die Eintrittskante (LDG) seitens der ersten axialen Seite (SRS) im Wesentlichen entlang
der Richtung der Durchströmung um einen Versatz (DCL) gegenüber der Eintrittskante
(LDG) an der zweiten Diffusorbegrenzungskontur (DC2) stromaufwärts versetzt ist, wobei
gilt:
2. Diffusor (DFR) nach Anspruch 1,
wobei gilt:
3. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2,
wobei gilt:
4. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3,
wobei gilt:
5. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei eine tangentiale Projektion der Eintrittskante (LDG) mindestens einen Wendepunkt
(WP) aufweist.
6. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
wobei ein Winkel zwischen Tangenten an einer tangentialen Projektion der Eintrittskante
(LDG) und einer tangentialen Projektion der ersten Diffusorbegrenzungskontur (DC1)
mindestens 45° beträgt, bevorzugt mindestens 75° beträgt.
7. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6,
wobei der Wendepunkt (WP) näher an der ersten Diffusorbegrenzungskontur (DC1) angeordnet
ist als an der zweiten Diffusorbegrenzungskontur (DC2).
8. Diffusor (DFR) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7,
wobei der Winkel zwischen einer Tangente an einer tangentialen Projektion der Eintrittskante
(LDG) und einer tangentialen Projektion der zweiten Diffusorbegrenzungskontur (DC2)
mindestens 45°, bevorzugt mindestens 75° beträgt.
9. Radialturboverdichter (RTC) mit mindestens einem Diffusor (DFR) nach mindestens einem
der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 und mindestens einem Laufrad (IMP), das im Wesentlichen
derart ausgebildet ist, dass es ein Prozessfluid (PFL) im Betrieb axial seitens der
ersten axialen Seite (SRS) ansaugt und im Wesentlichen radial in den stromabwärts
befindlichen Diffusor (DFR) ausgibt.