-
Die
Erfindung betrifft eine Deckscheibe für ein geschlossenes
Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine, beispielsweise
eines Radialkompressors oder -expanders, insbesondere eines Turbokompressors,
ein Laufrad mit einer solchen Deckscheibe sowie eine Strömungsmaschine
mit einem solchen Laufrad.
-
Geschlossene
Laufräder, bei denen ein Strömungskanal durch
die Laufschaufeln, eine diese tragende Laufradscheibe und eine mit
den Laufschaufeln verbundene Deckscheibe definiert wird, sind beispielsweise
aus der
DE 198 33
033 A1 bekannt, die in den
8 bis
13 Deckscheiben mit verschiedenen Meridianquerschnitten
zeigt. Wie insbesondere daraus erkennbar, nimmt die Wandstärke über
der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes solcher Deckscheiben
in der Regel kontinuierlich von einem Saugmund zu einem Strömungsaustritt
ab.
-
Aus
der
DE 37 09 518 C2 und
der
DE 41 13831 A1 sind
geschlossene Laufräder mit einer Deckscheibe nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bekannt, bei denen eine von dem Strömungskanal abgewandte
Außenoberfläche der Deckscheibe einen radialen
Absatz aufweist, an den sich ein kegelförmiger Abschnitt
gleichbleibender Wandstärke anschließt, so dass
sich zwischen dem Saugmund und dem Strömungsaustritt in
dem radialen Absatz ein lokales Maximum in der Wandstärke
der Deckscheibe ergibt. Hierauf gehen die
DE 37 09 518 C2 und die
DE 41 13831 A1 jedoch
nicht ein.
-
Nachteilig
treten in bekannten Deckscheiben hohe Spannungen an ungünstigen
Strukturstellen auf.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Deckscheibe
zur Verfügung zu stellen.
-
Zur
Lösung dieser Aufgabe ist eine Deckscheibe nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet.
Anspruch 8 stellt ein geschlossenes Laufrad mit einer solchen Deckscheibe,
Anspruch 9 eine Strömungsmaschine mit einem solchen Laufrad
unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine
lokale Ausbauchung der Deckscheibenaußenoberfläche
zu einer Laufradgeometrie führt, welche in Verbindung mit
einer entsprechenden Krümmung der Deckscheibenaußenoberfläche
bei den im Betrieb auftretenden Zentrifugalkräften, Spannungen
an kritischen Strukturbereichen reduzieren kann.
-
Hierzu
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, im Bereich
eines lokalen Maximums der Wandstärke der Deckscheibe an
deren Außenoberfläche eine konvexe Krümmung
mit einem Radius vorzusehen, dessen Verhältnis zu einem
Außendurchmesser des Laufrades in einem Bereich zwischen
0,05 und 0,5 liegt. Bei einem exemplarischen Laufrad mit einer solchen
Deckscheibe werden die Maximalspannungen um 20% reduziert und treten
zudem vorteilhafterweise nicht mehr am krtischen Endbereich der
Deckscheibe auf, sondern in einem mittleren Verbindungsabschnitt
zwischen Laufradscheibe und Laufschaufel.
-
Eine
erfindungsgemäße Deckscheibe ist für ein
geschlossenes Laufrad einer Radial- oder Diagonalströmungsmaschine,
beispielsweise eines Radialkompressors oder -expanders, insbesondere
eines Turbokompressors, vorgesehen und kann hierzu einstückig
mit einer Beschaufelung ausgebildet, beispielsweise urgeformt oder
spanend hergestellt sein. Gleichermaßen kann eine erfindungsgemäße
Deckscheibe auch mit der Beschaufelung verbunden, beispielsweise
vernietet, verlötet und/oder verschweißt werden.
Auch eine Kombination beider Ausführungen, wie sie aus
der
DE 41 13 831 A1 mit
radial geteilten Laufschaufeln bekannt ist, wobei ein Laufradteil
einstückig mit der Deckscheibe ausgebildet, ein anderer
Laufradtteil mit dieser unlösbar verbunden ist, kann vorteilhaft
sein.
-
Die
Deckscheibe definiert zusammen mit einer 2 D- oder 3 D-Beschaufelung
und der Laufradscheibe einen Strömungskanal für
ein zu förderndes, zu verdichtendes oder zu entspannendes
Fluid. In einer Meridianebene weist die Deckscheibe eine Profilmittel-
oder Skelettlinie auf, die in der Mitte zwischen der von dem Strömungskanal
abgewandten Außenoberfläche und einer dem Strömungskanal
zugewandten Innenoberfläche der Deckscheibe verläuft.
-
Längs
dieser Profilmittellinie weist die Deckscheibe zwischen einer ersten
und einer zweiten Stirnseite ein lokales Maximum auf. Die erste
Stirnseite kann beispielsweise eine Eintritts- oder Saugseite, die
zweite Stirnseite entsprechend eine Austritts- oder Druckseite sein.
Mit anderen Worten weist die erfindungsgemäße
Deckscheibe zwischen Eintritt und Austritt auf ihrer Außenoberfläche
einen Bauch auf.
-
Im
Bereich dieses lokalen Maximums weist die Außenoberfläche
eine konvexe, nach außen gewölbte Krümmung
mit einem Radius auf, dessen Verhältnis zu dem Außendurchmesser
des Laufrades in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 liegt. Als
Außendurchmesser des Laufrades wird insbesondere der größte
oder der Nenn-Durchmesser des Laufrades bezeichnet.
-
Die
Ausbauchung führt zu einer günstigeren Massenverteilung,
so dass die im Betrieb auftretenden Maximalspannungen reduziert
werden. Dadurch werden höhere Laufradgeschwindigkeiten,
höhere Lebensdauern und/oder die Verwendung weniger festen
und damit günstigeren Materials möglich. Durch
die konvexe Krümmung mit dem erfindungsgemäßen
Radiusverhältnis kann zudem das Auftreten von Maximalspannungen
an strukturell ungünstigen Stellen, etwa dem Außenumfang
der Deckscheibe im Bereich der Verbindung mit der Laufbeschaufelung,
die häufig als Schweißnaht ausgeführt
ist, vermieden oder solche Spannungen reduziert werden.
-
Bevorzugt
liegt das Verhältnis des Radius' zu dem Außendurchmesser
in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,4, besonders bevorzugt in einem
Bereich zwischen 0,15 und 0,3. Hierbei ergeben sich besonders spannungsarme
Laufräder.
-
In
einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung
geht die konvexe Krümmung der Außenoberfläche
der Deckscheibe zur ersten und/oder zweiten Stirnseite hin in eine
konkave Krümmung über, so dass die Außenkante
des Meridianquerschnittes vor und/oder nach dem lokalen Maximum
einen Wendepunkt aufweist, in dem die Krümmung ihr Vorzeichen
wechselt. Solche Außenoberflächen mit ein- oder
mehrfach gegensinnig gekrümmten Bereichen sind besonders
spannungsarm und können gut gefertigt werden.
-
Die
konkave Krümmung kann zur ersten Stirnseite hin einen Radius
aufweisen, der kleiner als der Radius der konvexen Krümmung
im Bereich des lokalen Maxi mums ist. Hierdurch kann eine erfindungsgemäße
Deckscheibe axial kurz bauen, da der konvexe, sanft gekrümmte
Bereich in dem konkav gekrümmten Bereich mit kleinerem
Radius relativ stark gegen die Axialrichtung geneigt werden kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführung verringert sich die Wandstärke
der Deckscheibe zur zweiten Stirnseite hin kontinuierlich. Im Gegensatz
zu den aus der
DE 37
09 518 C2 und der
DE
41 13831 A1 bekannten Deckscheiben mit kegelförmigen
Außenabschnitten gleichbleibender Wandstärke kann
hier die außenliegende Masse und damit das Massenträgheitsmoment,
das Gewicht sowie die Herstellkosten reduziert werden, wobei die
kontinuierliche Verringerung, insbesondere eine Verringerung mit
im Wesentlichen gleichbleibendem Krümmungsradius für
eine vorteilhafte Spannungsverteilung sorgt. Besonders bevorzugt
läuft die Deckscheibe zu ihrem Außenumfang hin
in einem konkav gekrümmten Abschnitt aus, der sich an den
konvex gekrümmten Abschnitt im Bereich des lokalen Maximums
anschließt. Dies schließt selbstverständlich
Ausführungen ein, bei denen die Außenumfangskante
der Außenoberfläche selbst gebrochen oder auf
andere Weise mit einem kleinen konvexen Radius ausgebildet ist.
-
Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen
und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
-
1:
einen Meridianquerschnitt der Hälfte einer Deckscheibe
nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
-
2:
einen Meridianquerschnitt der Hälfte einer Deckscheibe
nach dem Stand der Technik.
-
2 zeigt
im Halbschnitt den Meridianquerschnitt einer Deckscheibe
1' eines
Radiallaufrades (nicht dargestellt) nach dem Stand der Technik,
wie sie beispielsweise aus der
12 der
DE 198 33 033 A1 bekannt
ist.
-
Bei
dieser Deckscheibe 1' nimmt die Wandstärke längs
der Profilmittellinie des Meridianquerschnittes zwischen einer ersten
Stirnseite 2' der Deckscheibe (links in 2),
die einen Saugmund einer Radialströmungsmaschine (nicht
dargestellt) definiert, und einer dieser axial gegenüberliegenden zweiten
Stirnseite 3' der Deckscheibe (rechts in 2),
die einen Strömungsaustritt aus dem durch die Deckscheibe 1' definierten
Strömungskanal bildet, kontinuierlich vom Saugmund 2' zum
Strömungsaustritt 3' ab.
-
1 zeigt
in 2 entsprechender Darstellung den Meridianquerschnitt
einer Deckscheibe 1 eines Radiallaufrades (nicht dargestellt)
nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer
ersten Stirnseite 2 (links in 1), durch
die eine Radialströmungsmaschine (nicht dargestellt) Fluid
axial ansaugt, und einer dieser axial gegenüberliegenden zweiten
Stirnseite 3 der Deckscheibe (rechts in 1),
aus der das Fluid radial aus dem durch die Deckscheibe 1 und
(nicht dargestellte) Laufschaufeln und eine diese tragende Laufradscheibe
definierten Strömungskanal austritt.
-
Eine
dem Strömungskanal zugewandte Innenoberfläche 1.1 weist
drei konvex gekrümmte Bereiche mit den Krümmungsradien
R1.1, R1.2 bzw. R1.3 auf, wobei in 1 der Radius
jeweils durch einen Pfeil in Richtung von einem Krümmungsmittelpunkt
zur Oberfläche hin angedeutet ist.
-
Eine
der Innenoberfläche 1.1 gegenüberliegende
Außenoberfläche 1.2 der Deckscheibe 1 weist,
beginnend von der ersten Stirnseite 2, zunächst
einen zu einer Längsachse des Laufrades (strichpunktiert
in 1) parallelen, ungekrümmten Bereich auf.
Dieser geht in einen konkaven Bereich mit einem relativ kleinen
Krümmungsradius R2.1 über, in dessen Mittelsenkrechten
sich die Wandstärke der Deckscheibe 1 zu einem
lokalen Minimum verjüngt.
-
An
diesen konkaven Bereich schließt sich ein vom Strömungskanal
weggewölbter Abschnitt mit einer konvexen Krümmung
mit einem Radius R2.2 an, der größer als der Krümmungsradius
R2.1 ist. Aufgrund des Wechsels von einer konkaven zu einer konvexen
Krümmung liegen die Krümmungsmittelpunkte auf
einander gegenüberliegenden Seite der Außenoberfläche 1.2,
wie durch die verschiedenen Pfeilrichtungen in 1 angedeutet.
-
Der
konvexe Bereich geht seinerseits in Richtung zur zweiten Stirnseite 3 hin
wieder in einen konkaven Bereich mit einem Krümmungsradius
R2.3 über, in dem die Wandstärke der Deckscheibe 1 sich zur
zweiten Stirnseite hin kontinuierlich verringert.
-
Aufgrund
der wechselnden konkav-konvex-konkaven Krümmung der Außenoberfläche 1.2 der
Deckscheibe 1 und der demgegenüber durchgehen
konvexen Krümmung der ihr gegenüberliegenden Innenoberfläche 1.1 weist
die Wandstärke längs der Profilmittellinie des
Meridianquerschnittes der Deckscheibe 1 zwischen der ersten
Stirnseite 2 und der zweiten Stirnseite 3 ein
lokales Maximum auf. Im Bereich dieses lokalen Maximums weist die
Außenoberfläche 1.2 eine konvexe Krümmung
mit dem Radius R2.2 auf, dessen Quotient zu einem Außendurchmesser
D2 des Laufrades bei R2.2/D2 ≈ 0,22liegt.
Hierdurch treten die Maximalspannungen aufgrund der auf die Deckscheibe
wirkenden Fliehkräfte an dem (nicht dargestellten) Übergang
Laufschaufel – Laufradscheibe auf und nicht mehr im Bereich
der zweiten Stirnfläche 3 der Deckscheibe 1.
Zudem reduziert sich die absolute Größe der Maximalspannung
bei einer bestimmten Drehzahlbelastung um 20%.
-
- 1,
1'
- Deckscheibe
- 1.1,
1.1'
- Innenoberfläche
- 1.2,
1.2'
- Außenoberfläche
- 2,
2'
- erste
Stirnseite (Saugseite)
- 3,
3'
- zweite
Stirnseite (Austrittsseite)
- D2
- Außendurchmesser
des Laufrades
- R1.1–R1.3
- Krümmungsradius
der Innenoberfläche
- R2.1–R2.3
- Krümmungsradius
der Außenoberfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19833033
A1 [0002, 0021]
- - DE 3709518 C2 [0003, 0003, 0017]
- - DE 4113831 A1 [0003, 0003, 0009, 0017]