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Die Erfindung betrifft einen Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe, wobei der Radialverdichterdiffusor eine Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung aufweist.
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Radialverdichterstufen kommen in unterschiedlichen Bauformen von Turboverdichtern zur Anwendung. Dabei ist die Art der Strömungsführung in den Radialverdichterstufen je nach Anwendungsbereich unterschiedlich. Die Strömungsführung in Radialverdichtern weist ein Laufrad, einen Radialdiffusor, und ein Abströmgehäuse als wesentliche Elemente auf. Dies trifft insbesondere zu für die Strömungsführung von einstufigen Radialverdichtern, einzelnen Stufen von Getriebeverdichtern, oder den Endstufen vielstufiger Einwellenverdichter. Der Radialdiffusor kann sowohl als schaufelloser wie auch als beschaufelter Diffusor ausgeführt werden. Das Abströmgehäuse ist in der Regel als spiralförmiges Gehäuse ausgeführt.
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Zur Erzielung bester Betriebseigenschaften muss das Spiralgehäuse so ausgelegt und gestaltet sein, dass der statische Druck über den Laufradumfang bzw. über den Umfang des Radialdiffusors hinweg konstant ist. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Strömungsquerschnitt der Spirale genau an die am Austritt des Radialdiffusors vorherrschenden Strömungsdaten angepasst wird. Da sich aber die Strömungsdaten bei Betrieb entlang der Verdichterkennlinie ändern, gelingt diese Anpassung oft nur sehr unvollkommen: Beispielsweise ist die Spirale nur für einen bestimmten Auslegungspunkt genau an die Strömungsdaten angepasst, wohingegen an den anderen Betriebspunkten („Off-Design-Betriebspunkte”) des Verdichters keine besondere Anpassung der Spirale vorhanden ist. Mit anderen Worten, in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt liegt eine mehr oder weniger große aerodynamischen Fehlanpassung zwischen Laufrad und Diffusor einerseits und dem Spiralgehäuse andererseits vor, was entsprechend negative Auswirkungen für das Betriebsverhalten des Radialdiffusors zur Folge hat.
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Im Folgenden wird beispielhaft ein Rechengang zum Berechnen der Querschnittsbemessung eines Spiralgehäuses zur Erzielung konstanten statischen Druckes über den Laufrad- bzw. Diffusorumfang beschrieben, wie er in
Eckert/Schnell, „Axial- und Radial-Kompressoren", Springer Verlag, 1961, S. 417 ff angegeben ist. Danach wird als der entscheidende Parameter für die Querschnittsbemessung ein Spiralgrößenparameter C verwendet, der wie folgt berechnet wird:
mit C
u: Tangentialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt in die Spirale für den Spiralauslegungspunkt, r: der Radius am Spiraleintritt, Q: der Volumenstrom am Eintritt in die Spirale für den Spiralauslegungspunkt, π: Kreiskonstante.
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Daraus folgt nach Umformung:
bzw.
mit b: Breite des Diffusors am Spiraleintritt.
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Somit gilt: Für eine Verdichterstufe mit gegebener Spirale, charakterisiert durch den Spiralgrößenparameter C, wird genau dann ein konstanter Druck über den Umfang des Laufrades bzw. des Diffusors erzielt, wenn der Strömungswinkel den Wert αc gemäß der obigen Beziehung annimmt. Der sich am Spiraleintritt einstellende Strömungswinkel α wird durch das Laufrad und die weitere Entwicklung der Strömung im Radialdiffusor geprägt. Dieser Winkel ist keineswegs konstant, sondern ändert sich entlang der Verdichterkennlinie. Daher ist nur an dem ausgezeichneten Betriebspunkt, an dem α = αc gilt, eine optimale Abstimmung zwischen Laufrad, Diffusor und Spirale zu verzeichnen. Bei Betriebspunkten, die von diesem Betriebspunkt abweichen, ist aufgrund α ≠ αc mit Einbußen zu rechnen.
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Darüber hinaus unterbleibt vielfach die dezidierte Auslegung der Spirale und es werden stattdessen Laufrad und Diffusor mit einer im Rahmen einer standardisierten Baukastensystematik bereits vorhandenen Spirale kombiniert. Dies geschieht oftmals aus Kostengründen, wobei nichtoptimale Betriebseigenschaften zugunsten der Kostensituation in Kauf genommen werden. Die oben beschriebene Problematik tritt insbesondere bei schaufellosen Radialdiffusoren auf, aber auch bei beschaufelten Radialdiffusoren. Insbesondere im Falle schaufelloser Radialdiffusoren wirkt sich ein fehlangepasstes Spiralgehäuse vielfach besonders negativ auf das Betriebsverhalten der Verdichterstufe aus.
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Bei einem beschaufelten Radialdiffusor können die mit fehlangepassten Spiralgehäusen verknüpften Einbußen weitgehend vermieden werden. Mit Hilfe eines beschaufelten Diffusors lassen sich Wirkungsgradvorteile gegenüber einem unbeschaufelten Diffusor erzielen, wobei dies aber nur dann erreicht wird, wenn der beschaufelte Diffusor möglichst nahe zum Laufrad hin positioniert wird. Die Eintrittsverhältnisse r3/r1 (r3 bezeichnet hier den Radius, an dem die Radialerstreckung der Radialverdichterbeschaufelung nach innen endet, und r1 bezeichnet den Radius, an dem der Eintrittsquerschnitt des Strömungskanals bzw. der Laufradaustritt liegt) bei beschaufelten Diffusoren liegen aus diesem Grund in der Regel zwischen r3/r1 = 1,05 und r3/r1 1,2. Geschaufelte Diffusoren sind jedoch nicht immer erwünscht und haben unter anderem den Nachteil einer Einengung des nutzbaren Fahrbereichs und verursachen erhöhten Verdichterlärm. In einem beschaufelten Radialdiffusor können unter Umständen Schwingungsanregungen durch Laufrad-Leitrad-Interaktion auftreten, genauer gesagt ergeben sich Wechselwirkungen zwischen Diffusorschaufeln und Laufschaufeln, was zu einer Schwingungsanregung des hochbelasteten Laufrades führen kann. So ist bei einem beschaufelten Radialverdichterdiffusor aufgrund von Nachlaufdellen des Laufrades mit erheblichen Fluktuationen in der Zuströmung zu den Diffusorschaufeln zu rechnen, was durch Interaktion mit den Diffusorschaufeln unter anderem auch zu dem oben angedeuteten signifikanten Anstieg des Verdichterlärms führt. Die nachteiligen Effekte aufgrund der Laufrad-Leitrad-Interaktion sind umso ausgeprägter je kleiner das Radienverhältnis r3/r1 ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Radialverdichter zu schaffen, der verbesserte Betriebseigenschaften bei nicht optimal angepasstem Abströmgehäuse aufweist und nicht mit Nachteilen behaftet ist, die von herkömmlichen beschaufelten Diffusoren her bekannt ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe geschaffen, aufweisend einen Strömungskanal, der radial nach außen verläuft und radial innen liegend einen bei einem ersten Radius zylindrisch umlaufenden Eintrittsquerschnitt sowie radial außen liegend einen zylindrisch umlaufenden Austrittsquerschnitt aufweist und der derart gestaltet ist, dass im Betrieb des Radialverdichterdiffusors eine von einem unmittelbar stromauf des Radialverdichterdiffusors angeordneten Radialverdichterlaufrad abströmende und durch den Eintrittsquerschnitt in den Strömungskanal eintretende Gasströmung zum Abströmen durch den Austrittsquerschnitt in ein Abströmspiralgehäuse verzögert wird. Im Bereich des Austrittsquerschnitts in dem Strömungskanal ist eine Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung vorgesehen, die bewirkt, dass der von der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung aufgeprägte Abströmwinkel der Gasströmung nahezu unbeeinflusst von dem Betriebszustand des Radialverdichterlaufrads ist und dass deren Radialerstreckung nach innen an einem dritten Radius endet, wobei das Verhältnis des dritten Radius zum ersten Radius mindestens 1,2 beträgt. Erfindungsgemäß wird außerdem eine Radialverdichterstufe geschaffen, die den erfindungsgemäßen Radialverdichterdiffusor aufweist.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Radialverdichterdiffusors ist, dass für den äußeren Bereich des Radialdiffusors eine Leitbeschaufelung verwendet wird, die auch bei Variation des Volumenstroms entlang der Kennlinie einen nahezu konstanten Abströmwinkel α mit dem Wert αc bewirkt, wodurch im gesamten Bereich der Kennlinie eine optimale Zuströmung zur Spirale erreicht wird und Einbußen bei Wirkungsgrad und Verdichterarbeit vermieden werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung des Radialverdichterdiffusors eine Mehrzahl von über den Umfang angeordneten Leitschaufeln auf, deren Vorderkanten an dem dritten Radius umlaufend angeordnet sind. Dabei weist bevorzugt die Mehrzahl von über den Umfang angeordneten Leitschaufeln Hinterkanten auf, die in einem Bereich zwischen dem dritten Radius und dem Radius des Austrittsquerschnitts umlaufend angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung weist ein höheres Eintrittsradienverhältnis r3/r1 auf als dies bei herkömmlichen beschaufelte Diffusoren der Fall ist, weswegen die Leitbeschaufelung in einer Zone platziert ist, in der ein vergleichsweise niedriges Geschwindigkeitsniveau herrscht (das Geschwindigkeitsniveau im Diffusor verhält sich etwa proportional zum Kehrwert der radialen Erstreckung). Dadurch sind einerseits die Inzidenzverluste am Eintritt der Beschaufelung niedrig, andererseits herrscht in der Engstelle zwischen den Stufen ein solch niedriges Geschwindigkeits- bzw. Machzahlniveau, dass auch zu hohen Volumenströmen hin die kritische Massenstromdichte nicht erreiche wird. Damit tritt bei der erfindungsgemäßen Beschaufelung keine Einschnürung des Betriebsbereiches ein, wie es bei herkömmlichen beschaufelten Diffusoren der Fall ist. Ferner sind bei dem Radienverhältnis r3/r1 ≥ 1,2 die Nachlaufdellen weitgehend ausgeglichen, so dass negative Effekte, die durch Laufrad-Leitrad-Wechselwirkung verursacht werden, vermieden werden. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des dritten Radius zum ersten Radius mindestens 1,35.
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Die erfindungsgemäße Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung bewirkt, dass der aufgeprägte Abströmwinkel eine verbesserte Aasströmung zum spiralförmigen Sammelraum gewährleistet und deren radiale Erstreckung nach innen an dem dritten Radius endet, wobei das Verhältnis des dritten Radius zum ersten Radius mindestens so groß ist, dass die von herkömmlichen beschaufelten Radialdiffusoren bekannten Nachteile vermieden werden.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichterdiffusors anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Radialverdichterstufe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 eine Draufsicht der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung der Radialverdichterstufe aus 1.
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In 1 wird eine schematische Schnittansicht einer Radialverdichterstufe 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Radialverdichterstufe 1 weist ein Radialverdichterlaufrad 3, einen Radialverdichterdiffusor 6, sowie ein Abströmspiralgehäuse 8 auf. Das Radialverdichterlaufrad 3 sitzt auf einer Welle 2 zum Antreiben des Radialverdichterlaufrads 3. Im Betrieb der Radialverdichterstufe 1 tritt Gas über einen Laufradeintritt 4 des Radialverdichterlaufrads 3 in das Radialverdichterlaufrad 3 ein, durchströmt das Radialverdichterlaufrad 3 und tritt über den Laufradaustritt 5 und über einen Radialverdichterdiffusoreintritt 9 in den Radialverdichterdiffusor 6 ein.
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Der Radialverdichterdiffusoreintritt 9 ist in einem bestimmten, gemäß 1 als Radius 10 bezeichneten radialen Abstand zur Achse der Welle 2 angeordnet. Der Radialverdichterdiffusor 6 weist ferner einen Kanal 7 sowie einen Austritt 11 auf, der am Radius 12 angeordnet ist und eine bestimmte Breite 13 hat. An den Diffusor 6 schließt sich ein Abströmspiralgehäuse 8 mit einem Abströmgehäuseeintritt 14 an. Der Diffusor 6 weist ferner eine Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 auf. Die Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 ist nahe zum Radialdiffusoraustritt 11 hin angeordnet und erstreckt sich zwischen einem Radius 16, d. h. dem Radius am Eintritt der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15, und dem Bereich zwischen dem dritten Radius 16 und dem Radius 12 des Austrittsquerschnitts 11. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 im äußeren Bereich des Radialverdichterdiffusors 6, kurz vor der Eintrittszone des Abströmspiralgehäuses 8 vorgesehen. Das Eintrittsradienverhältnis, hier das Verhältnis zwischen dem Radius 16 am Eintritt der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 und dem Radius 10 am Radialdiffusoreintritt 9, liegt oberhalb des Eintrittsradienverhältnisses in herkömmlichen beschaufelten Radialdiffusoren.
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In 2 wird schematisch ein Teil der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 der Radialverdichterstufe aus 1 gezeigt. Die Beschaufelung 15 weist eine Vielzahl von Leitschaufeln 17 auf, die sich radial zwischen dem Radius 22 und dem Radius 16 erstrecken. Dabei befinden sich jeweils die Hinterkanten 20 der Leitschaufeln 17 am Radius 22 und die Vorderkanten 19 der Leitschaufeln 17 sind am Radius 16 angeordnet. Ferner sind die Leitschaufeln 17 gegenüber einer radialen Richtung geneigt, so dass der sich einstellende Strömungsgeschwindigkeitsvektor 21 stromabwärts der Leitschaufeln 17 bzw. der Radialdiffusoraustrittsbeschaufelung 15 den Abströmwinkel α aufweist, der in 2 mit 18 bezeichnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Eckert/Schnell, „Axial- und Radial-Kompressoren”, Springer Verlag, 1961, S. 417 ff [0004]
mit b: Breite des Diffusors am Spiraleintritt.