DE102014219107A1

DE102014219107A1 - Radial compressor impeller and associated centrifugal compressor

Info

Publication number: DE102014219107A1
Application number: DE102014219107.6A
Authority: DE
Inventors: Werner Jonen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-03-24
Also published as: WO2016046112A1

Abstract

Radialverdichterlaufrad (10) mit einer Radscheibe (11), einer damit verbundenen Deckscheibe (12) und einem dazwischen gebildeten, Schaufeln aufweisenden Zwischenraum (13), wobei die Deckscheibe (12) und die Radscheibe (11) an ihrem Außenumfang jeweils eine Kegelfläche (14, 15) aufweisen, deren Durchmesser sich ausgehend von dem Zwischenraum (13) in Axialrichtung verringert.A radial compressor impeller (10) having a wheel disc (11), a cover disc (12) connected thereto, and a space (13) formed therebetween, the cover disc (12) and the wheel disc (11) each having a conical surface (14 , 15) whose diameter decreases starting from the intermediate space (13) in the axial direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialverdichterlaufrad mit einer Radscheibe, einer damit verbundenen Deckscheibe und einem dazwischen gebildeten, Schaufeln aufweisenden Zwischenraum. The invention relates to a radial compressor impeller with a wheel disc, a cover plate connected thereto and a space formed therebetween, blades having.

Derartige Laufräder kommen beispielsweise bei Kompressoren zum Einsatz, ebenso auch z. B. bei Ventilatoren. Such wheels are used for example in compressors, as well as z. B. in fans.

Die Radscheibe eines derartigen Radialverdichterlaufrads weist Schaufeln auf, die z. B. aus dem Vollen gefräst sind, anschließend wird auf den Schaufeln eine Deckscheibe befestigt, wodurch das Radialverdichterlaufrad gebildet wird. The wheel disc of such a radial compressor impeller has blades, the z. B. are milled from the solid, then a cover plate is attached to the blades, whereby the Radialverdichterlaufrad is formed.

1 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt ein herkömmliches Radialverdichterlaufrad. Das Radialverdichterlaufrad 1 umfasst eine Radscheibe 2, die auf einer Welle 3 befestigt ist. Zwischen der Radscheibe 2 und einer Deckscheibe 4 sind in Umfangsrichtung Schaufeln angeordnet, die jedoch in der Ansicht von 1 nicht gezeigt sind. Das Radialverdichterlaufrad 1 ist von einem Gehäuse 5 umgeben. Durch die Rotation des Radialverdichterlaufrads 1 kann ein gasförmiges Medium, das axial einströmt, radial beschleunigt und dadurch verdichtet werden. 1 is a sectional view showing a conventional radial compressor impeller. The radial compressor impeller 1 includes a wheel disc 2 on a wave 3 is attached. Between the wheel disc 2 and a cover disk 4 are arranged in the circumferential direction of blades, but in the view of 1 not shown. The radial compressor impeller 1 is from a housing 5 surround. By the rotation of the radial compressor impeller 1 For example, a gaseous medium which flows in axially can be radially accelerated and thereby compressed.

Am Außendurchmesser des Radialverdichterlaufrads 1 weist dieses Zylinderflächen 6, 7 auf, deren axiale Länge von der jeweiligen Dicke der Radscheibe 2 bzw. der Deckscheibe 4 abhängig ist. Bei der Rotation des Radialverdichterlaufrads 1 entstehen an den Zylinderflächen 6, 7 Reibungsverluste. Bei einem bestimmten Betriebszustand, der durch Gasart, Druck, Temperatur und Drehzahl definiert ist, steigen diese Reibungsverluste an den Zylinderflächen 6, 7 linear mit der axialen Länge der Zylinder und mit der vierten Potenz mit dem Zylinderdurchmesser, der mit dem Durchmesser der Radscheibe 2 und der Deckscheibe 4 übereinstimmt. Zusätzlich treten in seitlichen Kavitäten 8, 9, die zwischen der Innenseite des Gehäuses 5 und Außenseiten der Radscheibe 2 und der Deckscheibe 4 gebildet sind, Scheibenreibungsverluste auf. Das Verhältnis der Zylinderreibungsverluste zu den Scheibenreibungsverlusten beträgt abhängig von Länge und Rauigkeit der Zylinderflächen etwa 0,05–0,15. Mit kleiner werdenden spezifischen Durchflüssen einer Verdichterstufe steigt der Anteil der Radreibungsverluste, die sowohl Scheibenreibungsverluste als auch Zylinderreibungsverluste umfassen, an dem Gesamtverlust zunehmend an. Wenn beispielsweise bei einer Stufe die Radreibungsverluste etwa 10 % Wirkungsgradverlust ausmachen, beträgt alleine der Wirkungsgradverlust durch Zylinderreibung etwa 0,5 % bis 1,5 %. At the outer diameter of the radial compressor impeller 1 has this cylindrical surfaces 6 . 7 on, the axial length of the respective thickness of the wheel disc 2 or the cover disk 4 is dependent. During the rotation of the centrifugal compressor impeller 1 arise on the cylinder surfaces 6 . 7 Friction losses. At a certain operating condition defined by gas type, pressure, temperature and speed, these friction losses increase on the cylinder surfaces 6 . 7 linear with the axial length of the cylinder and with the fourth power with the cylinder diameter, with the diameter of the wheel disc 2 and the cover disk 4 matches. In addition, occur in lateral cavities 8th . 9 placed between the inside of the case 5 and outsides of the wheel disc 2 and the cover disk 4 are formed, disc friction losses. The ratio of the cylinder friction losses to the wheel friction losses is about 0.05-0.15 depending on the length and roughness of the cylinder surfaces. With decreasing specific flow rates of a compressor stage, the proportion of wheel friction losses, which include both wheel friction losses and cylinder friction losses, increasingly increases in the overall loss. For example, if at one stage the wheel friction losses account for about 10% efficiency loss, cylinder friction alone will account for about 0.5% to 1.5% efficiency loss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radialverdichterlaufrad anzugeben, bei dem Reibungsverluste verringert sind. The invention is therefore based on the object to provide a radial compressor impeller, are reduced in the friction losses.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Radialverdichterlaufrad der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Deckscheibe und die Radscheibe an ihrem Außenumfang jeweils eine Kegelfläche aufweisen, deren Durchmesser sich ausgehend von dem Zwischenraum in Axialrichtung verringert. To solve this problem is provided according to the invention in a radial compressor impeller of the type mentioned that the cover plate and the wheel disc each have on their outer circumference a conical surface whose diameter decreases, starting from the intermediate space in the axial direction.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Rad- und Deckscheiben, die anstelle der herkömmlicherweise vorgesehenen Zylinderflächen am Außenumfang Kegelflächen aufweisen, sich durch geringere Reibungsverluste auszeichnen. Insbesondere bei Verdichterstufen mit sehr kleinen spezifischen Durchflüssen, beispielsweise für Hochdruckanwendungen, ergibt sich dadurch eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads. The invention is based on the finding that wheel and cover disks, which have conical surfaces on the outer circumference instead of the conventionally provided cylinder surfaces, are distinguished by lower friction losses. In particular, in compressor stages with very small specific flows, for example for high pressure applications, this results in a significant improvement in the efficiency.

Die Kegelflächen sind dabei so ausgerichtet, dass sich der Durchmesser von Deckscheibe und Radscheibe in Axialrichtung von innen nach außen verringert. Deckscheibe und Radscheibe weisen somit jeweils einen maximalen Durchmesser an ihren Innenseiten, d. h. im Bereich des Zwischenraums, auf. Bezogen auf eine gedachte Mittellinie zwischen Radscheibe und Deckscheibe verringert sich der Durchmesser der Kegelflächen in Axialrichtung bis auf einen minimalen Durchmesser an einer von der Mittellinie axial beabstandeten Position. The conical surfaces are aligned so that the diameter of the cover disc and wheel disc decreases in the axial direction from the inside to the outside. Cover disc and wheel disc thus each have a maximum diameter on their inner sides, d. H. in the area of the gap, on. Relative to an imaginary center line between the wheel disc and the cover disk, the diameter of the conical surfaces decreases in the axial direction to a minimum diameter at a position axially spaced from the center line.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die axiale Erstreckung der Kegelflächen näherungsweise ein Drittel der Breite der Deckscheibe bzw. der Radscheibe im Bereich der Laufradnabe beträgt. Die Dicke bzw. Breite von Deckscheibe und Radscheibe im Bereich der Nabe dient dabei als Referenzgröße, die Kegelflächen erstrecken sich etwa über ein Drittel der Gesamtdicke in Axialrichtung. It is also within the scope of the invention that the axial extent of the conical surfaces is approximately one third of the width of the cover plate or the wheel disc in the region of the impeller hub. The thickness or width of the cover disc and wheel disc in the region of the hub serves as a reference, the conical surfaces extend approximately over one third of the total thickness in the axial direction.

Die Kegelflächen des erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads schließen mit der Drehachse etwa einen Winkel zwischen 15° und 30° ein. Je größer der Winkel, desto größer ist die zu erwartende Reduzierung der Reibungsverluste. The conical surfaces of the radial compressor impeller according to the invention close with the axis of rotation about an angle between 15 ° and 30 °. The larger the angle, the greater the expected reduction in friction losses.

Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, dass die Radscheibe und/oder die Deckscheibe einen äußeren Abschnitt mit verringerter Dicke aufweist bzw. aufweisen. Zusätzlich zu den erfindungsgemäß vorgesehenen Kegelflächen ist bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad vorzugsweise auch deren Dicke in dem äußeren Abschnitt verringert. Die Verringerung der Dicke bewirkt ebenfalls eine messbare Reduzierung der Reibungsverluste. Bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrad kann es vorgesehen sein, dass der oder die äußeren Abschnitte mit verringerter Dicke konisch ausgebildet ist bzw. sind. Eine konische Form des bzw. der äußeren Abschnitte der Radscheibe und/oder der Deckscheibe ist im Hinblick auf eine spanende Fertigung vorteilhaft. Der halbe Konuswinkel kann dabei zwischen 10° und 20° liegen. In the context of the invention, it is preferred that the wheel disc and / or the cover disc have or have an outer portion with a reduced thickness. In addition to the conical surfaces provided according to the invention, in the radial compressor impeller according to the invention, preferably also the thickness thereof in the outer section is reduced. The reduction in thickness also causes a measurable reduction in friction losses. In the radial compressor impeller according to the invention, it may be provided that the outer or the outer Sections of reduced thickness is conical or are. A conical shape of the outer portions of the wheel disc and / or the cover plate is advantageous in view of machining. The half cone angle can be between 10 ° and 20 °.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dicke der Radscheibe und/oder der Deckscheibe am Außenumfang näherungsweise auf ein Drittel der Dicke im Bereich der Laufradnabe reduziert ist. Dementsprechend weisen Radscheibe und/oder Deckscheibe eine in Axialrichtung reduzierte Dicke auf. Vorzugsweise ist sowohl die Radscheibe als auch die Deckscheibe verjüngt, jedoch führt auch eine verjüngte Ausgestaltung einer Scheibe zu einer Reduzierung von Reibungsverlusten. An embodiment of the invention provides that the thickness of the wheel disc and / or the cover plate on the outer circumference is reduced approximately to one third of the thickness in the region of the impeller hub. Accordingly, the wheel disc and / or cover disc have a reduced thickness in the axial direction. Preferably, both the wheel disc and the cover disc is tapered, but also leads to a tapered design of a disc to a reduction of friction losses.

Eine ganz besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radverdichterlaufrads ergibt sich, wenn sich der äußere Abschnitt mit verringerter Dicke näherungsweise von 80 % des Durchmessers der Radscheibe und/oder der Deckscheibe bis zum äußeren Ende erstreckt. Dementsprechend können die innersten 80 % des Durchmessers eine nicht modifizierte, d. h. beispielsweise konstante Breite (Dicke in Axialrichtung) aufweisen, wohingegen die verringerte Dicke im Bereich der äußeren 20 % des Durchmessers ausgebildet ist. Vorzugsweise erfolgt die Verringerung der Dicke mittels der Kegelflächen, d. h. stetig. Grundsätzlich können die Kegelflächen jedoch auch anders geformt sein, beispielsweise leicht gewölbt oder profiliert. A particularly advantageous embodiment of the Radverdichterlaufrads invention results when the outer portion of reduced thickness extends approximately from 80% of the diameter of the wheel disc and / or the cover plate to the outer end. Accordingly, the innermost 80% of the diameter may be an unmodified, i. H. For example, have constant width (thickness in the axial direction), whereas the reduced thickness is formed in the outer 20% of the diameter. Preferably, the reduction of the thickness by means of the conical surfaces, d. H. steadily. In principle, however, the conical surfaces can also be shaped differently, for example, slightly curved or profiled.

Eine weitere Verringerung unerwünschter Reibung kann dadurch erzielt werden, dass zumindest der äußere Abschnitt mit verringerter Dicke eine verringerte Rauigkeit aufweist. Eine verringerte Rauigkeit kann durch eine entsprechende Oberflächenbearbeitung erzielt werden, beispielsweise durch Schleifen, Honen, Polieren oder Läppen. Further reduction of undesirable friction can be achieved by having at least the outer portion of reduced thickness having reduced roughness. A reduced roughness can be achieved by a corresponding surface processing, for example by grinding, honing, polishing or lapping.

Erfindungsgemäß wird es auch bevorzugt, dass die Radscheibe frei von Aufdickungen ist. Bei herkömmlichen Radscheiben sind zumeist an deren Außenseite Aufdickungen vorgesehen, wodurch eine sogenannte Wuchtnut gebildet wird. Beim Auswuchten des Radialverdichterlaufrads werden diese Aufdickungen lokal abgeschliffen. Da diese Aufdickungen die Strömung stören, ist es vorteilhaft, die Radscheibe frei von derartigen Aufdickungen auszubilden. According to the invention it is also preferred that the wheel disc is free of thickening. In conventional wheel discs, thickenings are usually provided on the outside thereof, whereby a so-called balancing groove is formed. When balancing the radial compressor impeller these thickenings are ground down locally. Since these thickenings disturb the flow, it is advantageous to form the wheel disc free of such thickening.

Daneben betrifft die Erfindung einen Radialverdichter, der ein Radialverdichterlaufrad der beschriebenen Art aufweist, das in einem Gehäuse aufgenommen ist. In addition, the invention relates to a centrifugal compressor having a radial compressor impeller of the type described, which is accommodated in a housing.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen: The invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the drawings. The drawings are schematic representations and show:

1 eine geschnittene Ansicht eines herkömmlichen Radialverdichterlaufrads; und 1 a sectional view of a conventional radial compressor impeller; and

2 eine geschnittene Ansicht eines Details eines erfindungsgemäßen Radialverdichterlaufrads. 2 a sectional view of a detail of a radial compressor impeller according to the invention.

Die geschnittene Ansicht von 2 zeigt einen Teil eines Radialverdichterlaufrads 10, das grundsätzlich wie das herkömmliche Radialverdichterlaufrad 1, das in 1 gezeigt ist, aufgebaut ist. The cut view of 2 shows a part of a radial compressor impeller 10 basically like the conventional radial compressor impeller 1 , this in 1 is shown, is constructed.

Zwischen einer Radscheibe 11 und einer Deckscheibe 12 ist ein Zwischenraum 13 gebildet, in dem sich Schaufeln (nicht gezeigt) befinden. Between a wheel disc 11 and a cover disk 12 is a gap 13 formed in which blades (not shown) are located.

Anders als bei dem in 1 gezeigten herkömmlichen Radialverdichterlaufrad 1 weist das in 2 gezeigte Radialverdichterlaufrad 10 am Außenumfang der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12 jeweils eine Kegelfläche 14, 15 auf, deren Durchmesser sich in Axialrichtung ausgehend von dem Zwischenraum 13 jeweils verringert. Beide Kegelflächen 14, 15 sind somit in entgegengesetzten Richtungen zu der Parallele 16 zur Drehachse geneigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Kegelflächen 14, 15 mit einer Parallele 16 zur Drehachse am Außenumfang einen Winkel von ca. 15°. Generell kann der Winkel zwischen 15° und 30° betragen. Die Kegelflächen 14, 15 beeinflussen die Strömung in der Kavität zwischen dem Radialverdichterlaufrad 10 und einem die Radscheibe 11 und die Deckscheibe 12 umgebenden Gehäuse (nicht gezeigt) strömungsgünstig, wodurch die normalerweise an dieser Stelle auftretende Reibung verringert wird. Die Kegelflächen 14, 15 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel über etwa ein Drittel der Breite der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12. Als Bezugsgröße dient dabei die Breite der Deckscheibe und der Radscheibe im Bereich einer Laufradnabe. Unlike the one in 1 shown conventional radial compressor impeller 1 has the in 2 shown radial compressor impeller 10 on the outer circumference of the wheel disc 11 and the cover disk 12 one conical surface each 14 . 15 on whose diameter is in the axial direction starting from the gap 13 each reduced. Both conical surfaces 14 . 15 are thus in opposite directions to the parallel 16 inclined to the axis of rotation. In the illustrated embodiment form the conical surfaces 14 . 15 with a parallel 16 to the rotation axis on the outer circumference an angle of about 15 °. Generally, the angle can be between 15 ° and 30 °. The conical surfaces 14 . 15 affect the flow in the cavity between the radial compressor impeller 10 and the wheel disc 11 and the cover disk 12 surrounding housing (not shown) streamlined, whereby the normally occurring at this point friction is reduced. The conical surfaces 14 . 15 extend in this embodiment over about one third of the width of the wheel disc 11 and the cover disk 12 , The reference size used here is the width of the cover disk and the wheel disk in the region of an impeller hub.

In 2 erkennt man, dass die Radscheibe 11 und die Deckscheibe 12 jeweils einen äußeren Abschnitt 17, 18 mit verringerter Dicke aufweisen. Diese äußeren Abschnitte 17, 18 bilden jeweils eine umlaufende Konusfläche. Der Konuswinkel beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 10° er kann jedoch generell auch größer oder kleiner sein. Die äußeren Abschnitte 17, 18 sind so ausgebildet, dass die Dicke der Radscheibe 11 und der Deckscheibe 12 am Außenumfang näherungsweise auf ein Drittel der Dicke im Bereich der Laufradnabe reduziert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die äußeren Abschnitte 17, 18 mit verringerter Dicke näherungsweise von 80 % des Durchmessers bis zu dem jeweiligen äußeren Ende. Dementsprechend weisen die Radscheibe 11 und die Deckscheibe 12 über 80 % ihrer Länge in Radialrichtung eine näherungsweise konstante Dicke auf, auf den äußeren 20 % ist die Dicke hingegen reduziert. In 2 ist auch sichtbar, dass die Radscheibe 17 keine Aufdickungen oder dergleichen aufweist, wodurch ebenfalls die Strömung in der Kavität zwischen der Radscheibe 11 und dem Gehäuse günstig beeinflusst wird, so dass geringere Reibungsverluste im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Radialverdichterlaufrad 1 auftreten. In 2 you realize that the wheel disc 11 and the cover disk 12 each an outer section 17 . 18 having reduced thickness. These outer sections 17 . 18 each form a circumferential cone surface. The cone angle is 10 ° in the illustrated embodiment, but it may generally be larger or smaller. The outer sections 17 . 18 are designed so that the thickness of the wheel disc 11 and the cover disk 12 on the outer circumference is reduced to approximately one third of the thickness in the region of the impeller hub. In the illustrated embodiment, the outer portions extend 17 . 18 with reduced thickness approximately 80% of the diameter to the respective outer end. Accordingly, the wheel disc 11 and the cover disk 12 Over 80% of its length in the radial direction to an approximately constant thickness, on the outer 20%, however, the thickness is reduced. In 2 is also visible that the wheel disc 17 has no thickening or the like, which also causes the flow in the cavity between the wheel disc 11 and the housing is favorably influenced, so that lower friction losses in comparison to the in 1 shown radial compressor impeller 1 occur.

In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Radialverdichterlaufrad 10 drehbar auf einer Welle gelagert und Bestandteil eines Radialverdichters. In accordance with the first embodiment, the radial compressor impeller is 10 rotatably mounted on a shaft and part of a centrifugal compressor.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Radial compressor impeller ( 10 ) with a wheel disc ( 11 ), an associated cover disk ( 12 ) and a space formed therebetween, having blades ( 13 ), characterized in that the cover disc ( 12 ) and the wheel disc ( 11 ) on its outer circumference in each case a conical surface ( 14 . 15 ), the diameter of which starting from the intermediate space ( 13 ) is reduced in the axial direction.

Radial compressor impeller according to claim 1, characterized in that the axial extent of the conical surfaces ( 14 . 15 ) approximately one third of the width of the cover plate ( 12 ) or the wheel disc ( 11 ) in the area of the impeller hub.

Radial compressor impeller according to claim 1 or 2, characterized in that the conical surfaces ( 14 . 15 ) with a parallel ( 16 ) to the rotation axis on the outer circumference an angle between 15 ° and 30 °.

Radial compressor impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the wheel disc ( 11 ) and / or the cover plate ( 12 ) an outer section ( 17 . 18 ) having reduced thickness.

Radial compressor impeller according to claim 4, characterized in that the outer section (s) ( 17 . 18 ) is conical with a reduced thickness or are.

Radial compressor impeller according to claim 4 or 5, characterized in that the half cone angle is 10 ° to 20 °.

Radial compressor impeller according to one of claims 4 to 6, characterized in that the thickness of the wheel disc ( 11 ) and / or the cover disk ( 12 ) is reduced on the outer circumference approximately to one third of the thickness in the region of the impeller hub.

Radial compressor impeller according to one of claims 4 to 7, characterized in that the outer portion ( 17 . 18 ) with reduced thickness approximately 80% of the diameter of the wheel disc ( 11 ) and / or the cover disk ( 12 ) extends to the outer end.

Radial compressor impeller according to one of claims 4 to 8, characterized in that at least the outer portion ( 17 . 18 ) has reduced roughness with reduced thickness.

Radial compressor impeller according to one of the preceding claims, characterized in that the wheel disc ( 10 ) is free from thickening.

Radial compressor comprising a centrifugal compressor impeller ( 10 ) according to one of claims 1 to 10.