[0001] Die Erfindung betrifft einen Diffusor für einen Radialturboverdichter, 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 erste Leitschaufeln aufweist,
die den Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente
aufteilt, wobei sich die ersten Leitschaufeln in Richtung der Durchströmung von einer
ersten Eintrittskante bis zu einer ersten Austrittskante entlang einer ersten Sehnenlänge
S1 erstrecken, wobei der Diffusor stehende zweite Leitschaufeln aufweist, die den
Diffusor zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
wobei sich die zweiten Leitschaufeln in Richtung der Durchströmung von einer zweiten
Eintrittskante bis zu einer zweiten Austrittskante entlang einer zweiten Sehnenlänge
S2 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 ersten Leitschaufeln
und zweiten Leitschaufeln zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung
quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur
entlang einer Schaufelhöhe erstrecken, wobei die erste Leitschaufel eine erste Schaufelhöhe
H1 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist.
[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.
[0003] 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.
[0004] Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine gleichmäßigere Strömungsführung
bereitzustellen.
[0005] Die auf die Vorrichtung hin gerichtete Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst.
[0006] Die vom Patentanspruch 1 abhängigen und rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] Zur Effizienzerhöhung von Radialverdichterstufen werden im Radialdiffusor Beschaufelungen
eingesetzt, welche neben Vorteilen alle jedoch auch spezifische Nachteile haben.
[0016] Bisher wurden Beschaufelungen eingesetzt welche über die gesamte Schaufellänge die
volle Kanalbreite des Radialdiffusors ausnutzen (Vollschaufel) oder nur einen geringen
Teil (RIB Diffusoren).
[0017] Beide Varianten weisen Vor- und Nachteile auf. So können Vollschaufeldiffusoren im
Allgemeinen nicht nah am Laufrad austritt positioniert werden, da es sonst zu unerwünschten
Wechselwirkungen zwischen den zwei Komponenten kommt. Dies führt zu größeren radialen
Erstreckungen und somit Kosten. Des Weiteren sind hierdurch die aerodynamischen Vorteile
etwas geringer, die aerodynamische Robustheit jedoch sehr hoch. Diese Robustheit ist
insbesondere beim Betrieb der Stufen mit Eintrittsleitapparaten notwendig, durch welche
sich die Abströmung des Laufrades im Anwendungsbereich stark ändert. RIB-Diffusoren
können hingegen sehr nah hinter dem Laufrad positioniert werden, was zu Vorteilen
hinsichtlich der radialen Erstreckung führt. Auch die aerodynamischen Vorteile sind
bei der Nutzung nahe der Auslegungsbedingen höher. Die aerodynamische Robustheit ist
jedoch begrenzt, wodurch ein Einsatz mit einem Vorleitapparat nicht vorteilhaft ist.
[0018] Der hier vorliegende Vorschlag löst dieses Problem, indem er die Vorteile beider
Varianten vereint und die Nachteile minimiert.
[0019] Durch die Kombination der beiden Diffusortypen können die jeweiligen Vorteile genutzt
und die Nachteile minimiert werden.
[0020] Durch die Kombination der beiden Diffusortypen auf nur einem Schaufelgitter auf einer
sehr kleinen radialen Erstreckung, ist es möglich eine Laufradanregung zu minmieren.
[0021] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie
die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich
im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
[0022] Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
[0023] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die
Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter
Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren
Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
[0024] Es zeigen:
- Figur 1
- Einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse durch einen Radialturboverdichter
mit einem erfindungsgemäßen Diffusor
- Figur 2
- Eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Diffusors
- Figur 3
- Eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Diffusors
- Figur 4
- Eine schematische Draufsicht auf einen Teil des erfindungsgemäßen Diffusors
[0025] Die Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt entlang einer Drehachse 2 durch
einen Radialturboverdichter 1 mit einem erfindungsgemäßen Diffusor 3.
[0026] Figur 1 zeigt einen Radialturboverdichter 1 mit einem Diffusor 3 und einem stromaufwärts
des Diffusors 3 angeordneten Laufrad 4. Das Laufrad 4 und der Diffusors 3 erstrecken
sich ringförmig entlang einer Umfangsrichtung 5 einer Achse X mit einer Drehachse
2. Das Laufrad 4 ist einer bestimmten Axialposition an einer um die Drehachse 2 bzw.
die koaxial zur Drehachse ROT angeordnete Achse X drehbar gelagerte Welle 6 befestigt.
Das Laufrad 4 weist eine Radscheibe 7, Laufradschaufeln 8 und eine Deckscheibe 9 auf,
wobei die Laufradschaufeln 8 Strömungskanäle ausbildend sich befestigt zwischen der
Radscheibe 7 und der Deckscheibe 9 befinden. Ein Prozessfluid wird axial angesaugt
und in die Radialrichtung nach außen umgelenkt, wo es aus dem rotierenden Laufrad
4 im Betrieb austretend in einen statischen Diffusor 3 gelangt.
[0027] Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Radiaturbolverdichters 1 ist
gegeben durch die Anordnung eines offenen Laufrads 4 ohne Deckscheibe 9. Diese Variante
ist nicht gesondert dargestellt, sondern die Deckscheibe 9 - dargestellt in Figur
1 - kann als optional aufgefasst werden.
[0028] Aus dem Diffusor 3 strömt das Prozessfluid in eine Sammelspirale 10 ein. Von dort
aus wird das Prozessfluid aus dem Radialturboverdichter 1 in nicht dargestellter Weise
stromabwärts befindlichen Aggregaten zugeführt.
[0029] Die Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils des erfindungsgemäßen
Diffusors 3. Der Diffusor 3 umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilte Leitschaufeln
11. Diese Leitschaufeln 11 sind in äquidistanten Abständen um den Umfang verteilt.
[0030] Ein Wesentliches Merkmal der Leitschaufel 11 besteht darin, dass diese eine erste
Leitschaufel 12 und eine zweite Leitschaufel 13 umfasst. Dies wird in der Figur 3
näher erläutert.
[0031] Der Diffusor 3 erstreckt sich ringförmig um eine zentrale Achse 2 erstreckt und weist
eine Zuströmung auf, die entlang zumindest eines ersten Abschnitts der Durchströmung
für eine zumindest weitestgehend radiale Durchströmung mittels eines Prozessfluids
im Betrieb ausgebildet ist.
[0032] Der Diffusor 3 weist stehende erste Leitschaufeln 11 auf, die den Diffusor 3 zumindest
entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt.
[0033] Die erste Leitschaufel 11 erstreckt sich in Richtung der Durchströmung von einer
ersten Eintrittskante 14 bis zu einer ersten Austrittskante 15 entlang einer ersten
Sehnenlänge S1.
[0034] Der Diffusor 3 weist stehende zweite Leitschaufeln 13 auf, die den Diffusor 3 zumindest
entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt.
[0035] Die zweite Leitschaufel 13 erstreckt sich in Richtung der Durchströmung von einer
zweiten Eintrittskante 16 bis zu einer zweiten Austrittskante 17 entlang einer ersten
Sehnenlänge S2.
[0036] Der Diffusor 3 weist im Bereich des ersten Abschnitts auf einer ersten axialen Seite
eine erste Diffusorbegrenzungskontur und auf einer zweiten axialen Seite eine zweite
Diffusorbegrenzungskontur auf, wobei sich die ersten Leitschaufeln 12 und zweiten
Leitschaufeln 13 zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung
quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur
entlang einer Schaufelhöhe erstrecken, wobei die erste Leitschaufel 12 eine erste
Schaufelhöhe H1 aufweist, wobei die zweite Leitschaufel 13 eine zweite Schaufelhöhe
H2 aufweist.
[0037] Die zweite Leitschaufel 13 ist entlang der Schaufelhöhe H2 auf der ersten Leitschaufel
12 angeordnet ist, wobei die zweite Sehnenlänge S2 kürzer ist als die erste Sehnenlänge
S1.
[0038] Für die erste Schaufelhöhe H1 und die zweite Schaufelhöhe H2 gilt: H1 < H2.
[0039] Es gilt ferner: H1 = a * H2, wobei a einen Wert annimmt zwischen 0,1 und 0,5, insbesondere
einen Wert zwischen 0,2 und 0,4 und ganz insbesondere einen Wert zwischen 0,25 und
0,35 annimmt.
[0040] Für die erste Sehnenlänge S1 und für die zweite Sehnenlänge S2 gilt: S2 < S1, wobei
gilt: S2 = b * S1, wobei b einen Wert annimmt zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere einen
Wert zwischen 0,4 und 0,6 und ganz insbesondere zwischen 0,45 und 0,55 annimmt.
[0041] Die erste Eintrittskante 14 der ersten Leitschaufel 12 und die zweite Eintrittskante
16 der zweiten Leitschaufel 13 sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet.
[0042] Die erste Austrittskante 15 der ersten Leitschaufel 12 und die zweite Austrittskante
17 der zweiten Leitschaufel 13 bilden eine gemeinsame Achse. Das bedeutet, dass die
Abströmkanten der ersten Leitschaufel 12 und der zweiten Leitschaufel 13 im Wesentlichen
identisch zueinander ausgebildet sind.
[0043] Die Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die erste Leitschaufel 12 und auf die zweite
Leitschaufel 13, wobei die zweite Leitschaufel 13 auf der ersten Leitschaufel 12 angeordnet
ist.
[0044] Die erste Leitschaufel 12 weist eine erste Profilierung 18 auf.
[0045] Die zweite Leitschaufel 13 weist eine zweite Profilierung 19 auf.
[0046] Die erste Profilierung 18 ist mit der zweite Profilierung 19 im Wesentlichen identisch,
wobei die zweite Profilierung 19 im Vergleich zur ersten Profilierung skaliert ist.
1. Diffusor (3) für einen Radialturboverdichter,
wobei der Diffusor (3) sich ringförmig um eine zentrale Achse (2) erstreckt,
wobei der Diffusor (3) 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 (3) stehende erste Leitschaufeln (12) aufweist, die den Diffusor
(3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
wobei sich die ersten Leitschaufeln (12) in Richtung der Durchströmung von einer ersten
Eintrittskante (14) bis zu einer ersten Austrittskante (15) entlang einer ersten Sehnenlänge
S1 erstrecken,
wobei der Diffusor (3) stehende zweite Leitschaufeln (13) aufweist, die den Diffusor
(3) zumindest entlang eines radialen Abschnitts in einzelne Umfangssegmente aufteilt,
wobei sich die zweiten Leitschaufeln (13) in Richtung der Durchströmung von einer
zweiten Eintrittskante (16) bis zu einer zweiten Austrittskante (17) entlang einer
zweiten Sehnenlänge S2 erstrecken,
wobei der Diffusor (3) 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 ersten Leitschaufeln (12) und zweiten
Leitschaufeln (13) zumindest entlang eines Teils der Erstreckung in Durchströmungsrichtung
quer dazu von der ersten Diffusorbegrenzungskontur bis zur zweiten Diffusorbegrenzungskontur
entlang einer Schaufelhöhe erstrecken,
wobei die erste Leitschaufel (12) eine erste Schaufelhöhe H1 aufweist,
wobei die zweite Leitschaufel (13) eine zweite Schaufelhöhe H2 aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Leitschaufel (13) entlang der Schaufelhöhe H2 auf der ersten Leitschaufel
(12) angeordnet ist, wobei die zweite Sehnenlänge S2 kürzer ist als die erste Sehnenlänge
S1.
2. Diffusor (3) nach Anspruch 1,
wobei für die erste Schaufelhöhe H1 und die zweite Schaufelhöhe H2 gilt: H1 < H2.
3. Diffusor (3) nach Anspruch 2,
wobei gilt: H1 = a * H2, wobei a einen Wert annimmt zwischen 0,1 und 0,5, insbesondere
einen Wert zwischen 0,2 und 0,4 und ganz insbesondere einen Wert zwischen 0,25 und
0,35 annimmt.
4. Diffusor (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei für die erste Sehnenlänge S1 und für die zweite Sehnenlänge S2 gilt: S2 < S1,
wobei gilt: S2 = b * S1, wobei b einen Wert annimmt zwischen 0,3 und 0,7, insbesondere
einen Wert zwischen 0,4 und 0,6 und ganz insbesondere zwischen 0,45 und 0,55 annimmt.
5. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Eintrittskante
(14) der ersten Leitschaufel (12) und die zweite Eintrittskante (16) der zweiten Leitschaufel
(13) im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind.
6. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Austrittskante
(15) der ersten Leitschaufel (12) und die zweite Austrittskante (17) der zweiten Leitschaufel
(13) eine gemeinsame Achse bilden.
7. Diffusor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Leitschaufel
(12) und die zweite Leitschaufel (13) profiliert ausgebildet sind.
8. Diffusor (3) nach Anspruch 7,
wobei die Profilierung der ersten Leitschaufel (12) und die Profilierung der zweiten
Leitschaufel (13) im Bereich der Austrittskante (15, 17) im Wesentlichen identisch
sind.
9. Diffusor (3) nach Anspruch 7 oder 8,
wobei die Profilierung der ersten Leitschaufel (12) und die Profilierung der zweiten
Leitschaufel (13) im Wesentlichen identisch sind.