DE102020206365A1

DE102020206365A1 - Strömungsleitvorrichtung für eine Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102020206365A1
Application number: DE102020206365.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Grob; Björn Bülten
Original assignee: Turbonik GmbH
Current assignee: TURBONIK GMBH, DE
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25
Also published as: WO2021234115A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsleitvorrichtung (1), insbesondere für eine Strömungsmaschine, mit mindestens einem Grundkörper (3), wobei sich der Grundkörper (3) entlang einer Längsachse (L) erstreckt, wobei der Grundkörper (3) auf einem Grundkörperumfang (5) mindestens einen Strömungskanal (6) aufweist, wobei der Strömungskanal (6) in seiner Erstreckung von einer Grundkörpermantelfläche (12) und von zwei zueinander weisenden Oberflächen (10,11) begrenzt wirdEine Strömungsleitvorrichtung (1), bei der eine kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig gesteigertem Wirkungsgrad möglich ist, wird dadurch realisiert, dass die Grundkörpermantelfläche (12) derart ausgebildet ist, dass die beiden zueinander weisenden Oberflächen (10,11) in mindestens einer Schaufelschnittebene (S) eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe (H) aufweisen, und dass die Längsachse (L) eine Ebenennormale zur Schaufelschnittebene (S) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsleitvorrichtung beispielsweise für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine. Die Strömungsleitvorrichtung weist mindestens einen Grundkörper auf. Der Grundkörper erstreckt sich entlang einer Längsachse L. Auf einem Grundkörperumfang weist der Grundkörper mindestens einen Strömungskanal auf. Der Strömungskanal wird in seiner Erstreckung, insbesondere zwischen einem Strömungseintritt und einem Strömungsaustritt, von einer Grundkörpermantelfläche und von zwei zueinander weisenden Oberflächen begrenzt.
Strömungsleitvorrichtungen, insbesondere für Strömungsmaschinen, sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt. In einer Strömungsmaschine erfolgt eine Energieübertragung zwischen einem Fluid und den Bauteilen der Strömungsmaschine in einem offenen Raum durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik. Strömungsleitvorrichtungen sind beispielsweise Leiträder oder Laufräder einer Turbine, die mindestens einen Strömungskanal oder eine Mehrzahl von Strömungskanälen zur Interaktion mit der Strömung auf einem Grundkörperumfang eines Grundkörpers aufweisen.
Bei Abbau eines hohen Enthalpiegefälles, insbesondere in einstufigen Strömungsmaschinen, wird als Profil für die den Strömungskanal oder die Strömungskanäle typischerweise ein Lavaldüsenprofil verwendet. Das Lavaldüsenprofil weist einen mit Bezug auf einen kleinsten Querschnitt konvergent-divergenten Verlauf auf.
Insbesondere bei auf einem Außenumfang eines Grundkörpers angeordnetem Strömungskanal und bei sehr kleinen Durchmessern des Grundkörpers der Strömungsleitvorrichtung kommt die Strömung im Strömungskanal mit einer stark gekrümmten Grundkörpermantelfläche in Kontakt und erfährt dadurch im Verlauf des Strömungskanals eine starke Beschleunigung. Diese Beschleunigung erfolgt jedoch nur einseitig. Durch die partiell hohe Geschwindigkeit ist die Strömung am Austritt des Strömungskanals stark inhomogen.
Aufgrund dieser Inhomogenität der Strömung kann der Strömungskanal, z. B. mit dem Profil einer Lavaldüse, nicht im optimalen Auslegungsdruckverhältnis betrieben werden. Dadurch kommt es zu Verlusten, woraus ein reduzierter Wirkungsgrad resultiert. Ferner lassen sich bestimmte Geometrien des Strömungskanals, die einer optimalen Auslegung entsprechen, nur mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten fertigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsleitvorrichtung, insbesondere für eine Strömungsmaschine, anzugeben, bei der ein gesteigerter Wirkungsgrad bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung realisiert ist.
Die vorgenannte Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Strömungsleitvorrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 gelöst, nämlich dadurch, dass die Grundkörpermantelfläche derart ausgebildet ist, dass die beiden, den Strömungskanal begrenzenden, zueinander weisenden Oberflächen in mindestens einer Schaufelschnittebene S eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe H aufweisen, und dass die Längsachse L eine Ebenennormale zur Schaufelschnittebene S ist.
Die nachstehenden Erläuterungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen sind überwiegend auf die Verwendung der Strömungsleitvorrichtung bei der Entspannung eines Fluides bezogen. Bei einer Verwendung bzw. Betrachtung der Strömungsleitvorrichtung im Rahmen eines Verdichters sind die Erläuterungen, insbesondere in Bezug auf die Verwendung der Begriffe „Strömungskanaleintritt“ und „Strömungskanalaustritt“ sowie „stromauf“ und „stromab“, entsprechend umgekehrt auszulegen bzw. zu verstehen.
Die Strömungsleitvorrichtung ist beispielsweise als Leitrad für eine Strömungsmaschine, beispielsweise eine Dampfturbine, ausgebildet. Die Strömungsleitvorrichtung ist z. B. als stehendes Bauteil in einer Strömungsmaschine anordenbar. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Strömungsleitvorrichtungen in einer mehrstufigen Strömungsmaschine angeordnet. Die Strömungsleitvorrichtung ist mit ihrem Grundkörper, der beispielsweise als Nabe ausgebildet ist, vorzugsweise drehfest, in einem Gehäuse der Strömungsmaschine montiert. Der Grundkörper weist insbesondere eine Ausnehmung für eine den Grundkörper durchtretende, rotierende Welle auf.
Ferner ist vorgesehen, dass die Strömungsleitvorrichtung beispielsweise als Laufrad einer Strömungsmaschine ausgebildet ist. Die Strömungsleitvorrichtung ist dann mit dem Grundkörper an einer rotierenden Welle befestigt.
Es ist ferner eine Verwendung der Strömungsleitvorrichtung in Dampfstrahlkältemaschinen, Verdichtern, Gasturbinen oder Triebwerken, insbesondere Flugzeugturbinen, ORC-Turbinen, Wasserstoffturbinen oder Wasserstoffverdichtern vorgesehen. Die Strömungsleitvorrichtung ist vorzugsweise zum Betrieb mit flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden, insbesondere Wasserdampf, CO₂, Wasserstoff, organischen Medien, Silikonölen, Kältemitteln, ausgebildet.
Die Strömungsleitvorrichtung weist mindestens einen, insbesondere scheibenförmig oder ringförmig ausgebildeten, Grundkörper auf. Der Grundkörperumfang ist beispielsweise kreisförmig oder polygonförmig ausgebildet. Auf dem bzw. in dem Grundkörperumfang ist mindestens ein Strömungskanal ausgebildet, der sich beispielsweise von einer Anströmseite des Grundkörpers, insbesondere mit Anteilen parallel zur Längsachse L, bis zu einer Abströmseite des Grundkörpers erstreckt. Der verbleibende Grundkörperumfang ist, beispielsweise durch mindestens einen Blockadeabschnitt, insbesondere des Grundkörpers, für den Durchtritt eines Strömungsmediums - im Montagezustand - blockiert. Anströmseite und die Abströmseite des Grundkörpers erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander.
Der Strömungskanal wird in seiner Erstreckung zwischen einem Strömungseintritt und einem Strömungsaustritt an seinem Grund von einer Grundkörpermantelfläche und zu den beiden Seiten von zwei zueinander weisenden Oberflächen - druckseitige Oberfläche und saugseitige Oberfläche - begrenzt. Im Montagezustand ist der Strömungskanal vollumfänglich geschlossen und wird dazu, insbesondere radial gegenüberliegend zur Grundkörpermantelfläche, ferner durch mindestens einen Deckelring, Innenring oder ein Gehäuse begrenzt. Wird der Strömungskanal in Richtung des Grundkörpers beispielsweise durch eine Oberfläche eines anderen Bauteils, beispielsweise einer Schaufel bei zusammengesetzten Schaufelringen, begrenzt, so ist die in Richtung des Grundkörpers orientierte Fläche der Grundkörpermantelfläche gleichzusetzen.
Wenn der Grundkörper beispielsweise als Nabe ausgebildet ist, ist der mindestens eine Strömungskanal auf dem als Außenumfang ausgebildeten Grundkörperumfang angeordnet. Ist der Grundkörper beispielsweise ringförmig ausgebildet, ist der mindestens eine Strömungskanal aus einem als Innenumfang ausgebildeten Grundkörperumfang angeordnet. Bei der ringförmigen Ausgestaltung des Grundkörper ist der mindestens eine Strömungskanal durch eine Innenscheibe begrenzt.
Es ist ferner vorgesehen, dass an dem Grundkörperumfang eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet sind. Beispielsweise sind die Strömungskanäle gleichmäßig oder asymmetrisch an dem Grundkörperumfang verteilt angeordnet.
Der Strömungskanalquerschnitt, insbesondere der Verlauf des Strömungskanalquerschnitts, wird von der Grundkörpermantelfläche, insbesondere der Form und der Ausrichtung der Grundköpermantelfläche, beeinflusst. Der Strömungskanalquerschnitt ist zwischen Strömungseintritt und Strömungsaustritt beispielsweise konstant oder variiert. Vorteilhaft ist der Strömungskanalquerschnitt im Verlauf, divergent - nimmt also vom Strömungseintritt zum Strömungsaustritt zu -, konvergent - nimmt also vom Strömungseintritt zum Strömungsaustritt zu -, konvergent und divergent oder weist ein anderes Profil auf. Mit dem „Querschnitt“ des Strömungskanals oder „Strömungskanalquerschnitt“ ist stets die Querschnittsfläche des Strömungskanals gemeint. Bei einer Mehrzahl von Strömungskanälen sind vorteilhaft alle Strömungskanäle identisch ausgebildet.
Die Grundkörpermantelfläche im Strömungskanal ist erfindungsgemäß, insbesondere in mindestens einem Abschnitt, derart ausgebildet, dass die beiden den Strömungskanal seitlich begrenzenden Oberflächen in mindestens einer Schaufelschnittebene S eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe H aufweisen. Die Schaufelschnittebene S ist eine gedachte Ebene, zu der die Längsachse L des Grundkörpers eine Ebenennormale ist.
Die Grundkörpermantelfläche ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass in mindestens einer Schaufelschnittebene S an mindestens einer Stelle entlang der Längsachse L in dem Abschnitt die Oberflächenhöhen H unterschiedlich sind. Ferner ist vorgesehen, dass die Oberflächenhöhen H in mehreren Schaufelschnittebenen S an mehreren Stellen entlang der Längsachse L des Grundkörpers jeweils unterschiedlich zueinander sind. Dadurch wird der Querschnitt des Strömungskanals variiert. Die Grundkörpermantelfläche ist in ihrem Verlauf vorzugweise unterbrechungsfrei ausgebildet, weist also keine Stoßstellen auf.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Oberflächenhöhen H in mindestens einer Schaufelschnittebene S eine Höhendifferenz von mindestens 3%, insbesondere mindestens 5%, mindestens 10%, mindestens 20%, mindestens 30%, mindestens 40%, mindestens 50%, mindestens 75% oder mindestens 90% aufweisen. Es ist des Weiteren bevorzugt vorgesehen, dass in mindestens einer ersten Schaufelschnittebene S an mindestens einer ersten Stelle der Längsachse L im Verlauf des Strömungskanals die Oberflächenhöhen H unterschiedlich zueinander sind, dass in mindestens einer zweiten Schaufelschnittebene S an mindestens einer zweiten Stelle der Längsachse L im Verlauf des Strömungskanals die Oberflächenhöhen H unterschiedlich zueinander sind, und dass die Oberflächenhöhen H in der ersten Schaufelschnittebene größer oder kleiner als die Oberflächenhöhen in der zweiten Schaufelschnittebene sind.
Ferner ist vorgesehen, dass die Oberflächenhöhe H der in einer Schaufelschnittebene S stromauf, insbesondere druckseitig, angeordneten Oberfläche kleiner als die Oberflächenhöhe H der stromab, bevorzugt saugseitig, angeordneten Oberfläche ist.
Dadurch ist die Grundkörpermantelfläche in Richtung des Strömungsaustritts geneigt ausgerichtet.
Die Oberflächenhöhe H der jeweiligen - druckseitigen oder saugseitigen - Oberfläche ist die, insbesondere in der Schaufelschnittebene S oder der Strömungskanalschnittebene E, zwischen Grundkörpermantelfläche und dem vom Grundkörper weggewandten Ende der Oberfläche überstrichene Strecke. Das gilt insbesondere für in Richtung des Strömungskanals oder von diesem weg geneigte Oberflächen. Geringfügige, insbesondere fertigungsbedingte, Radien im Bereich zwischen Grundkörpermantelfläche und den Oberflächen bleiben unberücksichtigt, größere Radien werden der Grundköpermantelfläche zugerechnet. Für den Fall, dass die Oberflächen radial zur Längsachse L des Grundkörpers ausgerichtet sind, entspricht die Oberflächenhöhe H der Oberflächen der Höhe der Oberflächen in radialer Richtung - die radiale Höhe.
Erfindungsgemäß voneinander verschiedene Oberflächenhöhen H der Oberflächen in der Schaufelschnittebene S lassen sich beispielsweise über eine entsprechend gestaltete Form und Ausrichtung der Grundkörpermantelfläche - zumindest in einem Abschnitt - erzielen.
Auf diese Weise ist eine vorteilhafte Ausrichtung der Grundkörpermantelfläche gewährleistet, die eine Inhomogenität der Strömungsgeschwindigkeit reduziert und den Wirkungsgrad steigert.
Besonders bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass die Oberflächenhöhen H der beiden den Strömungskanal begrenzenden Oberflächen in einer Schaufelschnittebene S am Strömungseintritt - an einer Stelle auf der Längsachse L am Strömungseintritt - gleich sind und/oder dass die Oberflächenhöhen H der beiden den Strömungskanal begrenzenden Oberflächen in einer Schaufelschnittebene S am Strömungsaustritt - an einer Stelle auf der Längsachse L am Strömungsaustritt - gleich sind. Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche zumindest am Strömungseintritt und/oder zumindest am Strömungsaustritt konvex mit einem Radius gewölbt ist.
In der Schaufelschnittebene S am Strömungseintritt und/oder am Strömungsaustritt ist die Grundkörpermantelfläche bei einer derartigen Ausgestaltung eine konvex gewölbte Linie.
Durch die vorstehende Weiterbildung ist gewährleistet, dass trotz des erfindungsgemäßen Verlaufes der Grundkörpermantelfläche zumindest in einem Abschnitt im Strömungskanal, am Strömungseintritt und/oder am Strömungsaustritt gleichwohl eine „Standardschnittstelle“ zu weiteren Komponenten, z.B. Lauf- oder Leiträdern, ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung ist dadurch im Strömungspfad innerhalb einer Maschine ohne Weiteres kompatibel zu aus dem Stand der Technik bekannten Komponenten.
Gemäß einer ersten, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung ist vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche ferner derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Oberflächenhöhen H der zueinander weisenden Oberflächen in mindestens einer Strömungskanalschnittebene E im Wesentlichen gleich sind, wobei die Strömungskanalschnittebene E derart ausgerichtet ist, dass die Strömungskanalschnittebene E von einem mittlerer Stromfaden - gemäß Stromfadentheorie - in Normalenrichtung durchtreten wird. Der Stromfaden durchtritt die Strömungskanalschnittebene E an der Stelle im Verlauf der Längsachse L, an der auch die jeweilige Betrachtung der Schaufelschnittebene S erfolgt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Schnittlinie der Strömungskanalschnittebene E und der Schaufelschnittebene S den Stromfaden des Strömungskanals schneidet.
Die Grundkörpermantelfläche ist folglich so ausgebildet, dass bei Betrachtung an mindestens einer Stelle im Verlauf der Längsachse L des Grundkörpers in einer Schaufelschnittebene S die Oberflächenhöhen H voneinander verschieden sind und die Oberflächenhöhen H in einer zugehörigen Strömungskanalschnittebene E - bei Betrachtung an derselben Stelle entlang der Längsachse L - im Wesentlichen gleich sind. Durch einen schrägen und/oder gekrümmten Verlauf des Strömungskanals betreffen die Oberflächenhöhen H in den beiden betrachteten Ebenen unterschiedliche Bereiche der den Strömungskanal seitlich begrenzenden Oberflächen im Strömungskanal.
Die Oberflächenhöhe H der beiden den Strömungskanal begrenzenden Oberflächen ist folglich in der Strömungskanalschnittebene E im Wesentlichen gleich, wobei die Strömungskanalschnittebene E von dem mittleren Stromfaden des Strömungskanals - an der gleichen Stelle entlang der Längsachse L des Grundkörpers, in der die Betrachtung der Schaufelschnittebene S erfolgt - orthogonal durchtreten wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche derartig gestaltet ist, dass sie in mindestens einer Strömungskanalschnittebene E an einer Stelle entlang des mittleren Strompfades, vorzugsweise in einer Mehrzahl von Strömungskanalebenen E entlang des mittleren Strompfades, eine gerade Linie, eine konvexe Linie, eine konkave Linie oder eine Linie mit mindestens einem geraden Abschnitt und mindestens zwei konvexen oder konkaven Abschnitten - Krümmung, insbesondere Radien in den Randbereichen der Grundkörpermantelfläche - dargestellt.
Eine weitere Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung sieht vor, dass mindestens eine Schaufel auf dem Grundkörperumfang angeordnet ist. Dabei werden zwei Strömungskanäle ausgebildet, nämlich zwischen den beiden Oberflächen der Schaufel und jeweils einer Oberfläche eines Blockadeabschnitts.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens zwei Schaufeln auf dem Grundkörperumfang angeordnet sind, und dass der mindestens eine Strömungskanal zwischen den Schaufeln ausgebildet ist. Die den Strömungskanal seitlich begrenzenden, zueinander weisenden Oberflächen sind vorzugsweise die entsprechenden Oberflächen der Schaufeln, also die druckseitige Oberfläche der einen Schaufel und die saugseitige Oberfläche der anderen Schaufel. Die Oberflächenhöhen H entsprechen dann der Erstreckung der Schaufeln in der jeweils betrachteten Ebene E,S oder der radialen Höhe der jeweiligen Schaufel bei radialer Ausrichtung der Schaufeln. Die Oberflächenhöhe H der einen Schaufel in der Schaufelschnittebene S ist erfindungsgemäß größer oder kleiner aus die Oberflächenhöhe H der anderen Schaufel in der Schaufelschnittebene. Insbesondere ist die Oberflächenhöhe H in der zugehörigen Strömungskanalschnittebene E für beide Schaufeln etwa gleich.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens zwei weitere Strömungskanäle auf dem Grundkörperumfang angeordnet sind, die insbesondere von jeweils einer Schaufel und dem Grundköper bzw. dem mindestens einen Blockadeabschnitt begrenzt werden. Beispielsweise ist jeweils ein Strömungskanal zwischen einer druckseitigen Oberfläche der einen Schaufel und einer - saugseitigen - Oberfläche des Blockadeabschnitts und einer saugseitigen Oberfläche der anderen Schaufel und einer - druckseitigen - Oberfläche des Blockadeabschnitts ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Schaufeln auf dem Grundkörperumfang - Außenumfang oder Innenumfang - angeordnet ist. Die Schaufeln sind beispielsweise symmetrisch oder asymmetrisch auf dem Grundkörperumfang verteilt angeordnet.
Insbesondere ist jeder Strömungskanal in seinem Verlauf im Betriebszustand vollumfänglich geschlossen. Bei auf einem Außenumfang des Grundkörpers angeordneten Schaufeln wird der Grundkörper abschließend durch einen, vorzugsweise auf einen Außenumfang der Schaufeln aufgebrachten, insbesondere aufgeschrumpften, Deckelring oder ein Gehäuse der Maschine begrenzt. Bei auf einem Innenumfang eines, beispielsweise ringförmig ausgebildeten, Grundkörpers angeordneten Schaufeln werden die Strömungskanäle abschließend beispielsweise durch eine Innenscheibe begrenzt.
Es ist eine Teilbeaufschlagung der Strömungsleitvorrichtung vorgesehen, bei der nur ein bestimmter Anteil des Grundkörperumfangs mit Schaufeln versehen ist, beispielweise etwa 50% des Grundkörperumfangs. Der Grundkörper mit der Mehrzahl an Schaufeln ist vorzugsweise für eine Teilbeaufschlagung ausgebildet. Der verbleibende Anteil des Grundkörperumfangs ist für eine Strömung verschlossen. Bei derartigen Ausführungsbeispielen ist ein Teil der Strömungskanäle zwischen jeweils einer Schaufel und einem Blockadeabschnitt gebildet, wobei die jeweils einen Strömungskanal teilweise begrenzende Oberfläche eines Blockadeabschnitts das Profil einer entsprechenden Oberfläche einer Schaufel aufweist.
Zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln ist mindestens ein Strömungskanal ausgebildet ist, so dass auf dem Grundkörperumfang eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet sind. Die zueinander weisenden Oberflächen der jeweils benachbarten Schaufeln erfüllen die vorstehend beschriebenen Anforderungen in Bezug auf die Oberflächenhöhe H, um eine vorteilhafte Grundkörpermantelfläche zu gestalten.
Sofern bei den vorstehenden oder nachfolgenden Ausführungen auf einen einzigen Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Schaufeln Bezug genommen wird, gelten die beschriebenen Eigenschaften gleichermaßen für jeden Strömungskanal jedes Schaufelpaares auf dem Umfang des Grundkörpers.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jeder Strömungskanal in seinem Verlauf zumindest einen Abschnitt aufweist, in dem die benachbarten Schaufeln in der - gedachten - Schaufelschnittebene S eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe H, aufweisen, die insbesondere der radialen Höhe der Schaufel entspricht. Derartig voneinander verschiedene Höhen der Schaufeln in der Schaufelschnittebene S lassen sich beispielsweise über einen entsprechend gestalteten Oberflächenverlauf der Grundkörpermantelfläche erreichen.
Bei radial ausgerichteten Oberflächen, insbesondere Oberflächen der Schaufeln, ist die Oberflächenhöhe H identisch mit der radialen Höhe. Die radiale Höhe einer Schaufel an einer bestimmten Stelle wird zwischen der Grundkörpermantelfläche und dem von dem Grundkörper weggewandten Ende der Schaufel - in radialer Richtung, ausgehend von der Längsachse L - bestimmt. Beispielsweise wird die radiale Höhe einer Schaufel ausgehend von einem bestimmten Punkt auf der Grundkörpermantelfläche auf einer radialen Linie ausgehend von der Längsachse L des Grundkörpers gemessen.
Vorzugsweise weisen die beiden jeweils einen Strömungskanal begrenzenden, benachbart angeordneten Schaufeln im Verlauf des Strömungskanals eine variierende Oberflächenhöhe H, insbesondere radiale Höhe H, auf. Folglich variiert die Oberflächenhöhe H der Schaufeln im Lauf der Erstreckung des Strömungskanals, jeweils betrachtet in einer Vielzahl von Strömungskanalschnittebenen E, die jeweils so ausgerichtet sind, dass der mittlere Stromfaden die jeweilige Strömungskanalschnittebene E als Ebenennormale durchtritt. Dabei sind die Oberflächenhöhe H der beiden Schaufeln in jeder einzelnen Schaufelschnittebene E vorzugsweise gleich.
Die Oberflächenhöhe H der Schaufeln variiert im Verlauf des Strömungskanals, insbesondere in der jeweils betrachteten Strömungskanalschnittebene E, identisch für beide Schaufeln. Es ist auch vorgesehen, dass die Oberflächenhöhen H der beiden zueinander gewandten Oberflächen, insbesondere der Schaufeln, in mindestens einer Strömungskanalschnittebene S entlang des Strömungskanals voneinander verschieden sind.
Durch die Variation der Oberflächenhöhen H der Schaufeln im Verlauf des Strömungskanals, mit der Randbedingung der unterschiedlichen Oberflächenhöhen H in mindestens einer Schaufelschnittebene S im Verlauf des Strömungskanals, lassen sich vorteilhafte Querschnittsverläufe für den Strömungskanal gestalten, insbesondere in mindestens einem Abschnitt, die den Wirkungsgrad steigern.
Je nach Verwendung der Strömungsleitvorrichtung ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Strömungskanals - trotz der Veränderung der Oberflächenhöhe H der Schaufeln - über den Verlauf des Strömungskanals konstant ist, oder dass der Querschnitt im Verlauf des Strömungskanals variiert.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Querschnitt der Strömungskanäle, also jedes einzelnen Strömungskanals, zumindest abschnittsweise durch eine sich verändernde Oberflächenhöhe H mindestens einer der den Strömungskanal seitlich begrenzenden Schaufeln, insbesondere eine sich verändernde Oberflächenhöhe H beider den Strömungskanal seitlich begrenzenden Schaufeln, variiert wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Endbereiche bzw. die Enden aller Schaufeln auf einem gemeinsamen Durchmesser, insbesondere einem gemeinsamen Außendurchmesser, beispielsweise bei einem scheibenförmigen Grundkörper, oder einem gemeinsamen Innendurchmesser, beispielsweise bei einem ringförmigen Grundkörper, und nach innen gerichteten Schaufeln liegen. Es ist sowohl vorgesehen, dass die gesamte Endfläche jeder Schaufel auf einem einzigen Durchmesser liegt, oder dass - beispielsweise bei Schaufeln, die im Verlauf des Strömungskanals ihren Außendurchmesser verändern - zumindest das jeweils am weitesten von dem Grundkörper entfernte Ende jeder Schaufel auf einem gemeinsamen Durchmesser liegt.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Oberflächenhöhen H der beiden den Strömungskanal begrenzenden Schaufeln in einer Schaufelschnittebene S am Strömungseintritt - an einer Stelle auf der Längsachse L am Strömungseintritt - gleich sind und/oder dass die Oberflächenhöhen H der beiden den Strömungskanal begrenzenden Schaufeln in einer Schaufelschnittebene S am Strömungsaustritt - an einer Stelle auf der Längsachse L am Strömungsaustritt - gleich sind. Der Strömungseintritt erstreckt sich vorzugsweise zwischen den jeweiligen Vorderkanten der Schaufeln, der Strömungsaustritt zwischen den Hinterkanten der beiden Schaufeln. Insbesondere liegen die Vorderkanten der beiden Schaufeln auf einem gemeinsamen ersten Durchmesser und/oder die Hinterkanten der beiden Schaufeln auf einem gemeinsamen zweiten Durchmesser. Der zweite Durchmesser ist vorzugsweise geringer als der erste Durchmesser.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche zumindest am Strömungseintritt und/oder zumindest am Strömungsaustritt konvex mit einem Radius gewölbt ist. In der Schaufelschnittebene S am Strömungseintritt und/oder am Strömungsaustritt ist die Grundkörpermantelfläche bei einer derartigen Ausgestaltung eine konvex gewölbte Linie zwischen den beiden Schaufeln.
Insbesondere durch Hinterkanten mit identischer Oberflächenhöhe H in Verbindung mit einer kreisrund gewölbten Grundkörpermantelfläche am Strömungsaustritt, insbesondere in einem Abschnitt vor dem Strömungsaustritt, kann die Strömung optimal die Strömungsleitvorrichtung verlassen und ein ggf. anschließendes Laufrad anströmen. Entsprechende Vorteile werden durch Vorderkanten mit identischer Oberflächenhöhe H in Verbindung mit einer kreisrund gewölbten Grundkörpermantelfläche am Strömungseintritt realisiert. Durch eine derartige Gestaltung wird ein gesteigerter Wirkungsgrad erreicht.
Die Strömungsleitvorrichtung ist vorzugsweise für eine Anströmung der Schaufeln in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Strömungsleitvorrichtung derart angeströmt wird, dass die Meridiankomponente der Anströmgeschwindigkeit parallel zur Längsachse L ist. Es ist auch vorgesehen, dass die Schaufeln mit einem Drall angeströmt werden. Die Strömungsleitvorrichtung ist insbesondere für eine Axialmaschine vorgesehen. Bei einer Ausgestaltung als Leitrad fällt die Längsachse L des Grundkörpers mit der Rotationsachse einer, vorzugsweise den Grundkörper durchtretenden, Welle zusammen. Bei einer Ausgestaltung als Laufrad rotiert die Strömungsleitvorrichtung um die Längsachse L.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung ist vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche in ihrem Verlauf im Strömungskanal mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlicher Oberflächenform aufweist. Die Oberflächenform in den mindestens zwei Abschnitten unterscheidet sich voneinander, so dass die Grundkörpermantelfläche beispielsweise in mindestens einem Abschnitt eben ausgebildet ist und in mindestens einem weiteren Abschnitt mit einem Radius gewölbt ist.
Beispielsweise weist die Grundkörpermantelfläche in ihrem Verlauf entlang des Strömungskanals mindestens drei, mindestens vier oder mindestens fünf voneinander verschiedene Abschnitte auf. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Oberflächenform in jedem Abschnitt von jedem weiteren Abschnitt verschieden ist. Es ist aber auch vorgesehen, dass nur die Oberflächenform von jedem in Strömungsrichtung folgenden Abschnitt verschieden von dem vorgehenden Abschnitt ist.
Insbesondere ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Oberflächenform mindestens eines Abschnitts der Grundkörpermantelfläche abweichend von einer Oberflächenform des Grundkörpers stromauf und/oder stromab des Strömungskanals also vor dem Strömungseintritt und/oder nach dem Strömungsaustritt, ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Oberflächenform des Grundkörpers vor und hinter dem Strömungskanal kreisrund mit einem Radius ausgebildet, wobei vorzugsweise der Radius vor dem Strömungskanal größer als der Radius hinter dem Strömungskanal ist. Die Oberflächenform zumindest in einem Abschnitt der Grundkörpermantelfläche innerhalb des Strömungskanals ist beispielsweise entweder mit einem anderen Radius als vor und hinter dem Strömungskanal gekrümmt oder ist beispielsweise als ebene Fläche ausgebildet. Insbesondere ist vorgesehen, dass der erste Abschnitt der Grundkörpermantelfläche hinter dem Strömungseintritt konvex mit einem einzigen, ersten Radius gewölbt ist und/oder dass der letzte Abschnitt der Grundkörpermantelfläche vor dem Strömungsaustritt konvex mit einem einzigen, zweiten Radius gewölbt ist. Der erste Radius und der zweite Radius sind voneinander verschieden, insbesondere ist der zweite Radius kleiner als der erste Radius.
Besonders bevorzugt ist bei den vorstehenden Ausgestaltungen vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche eines stromauf angeordneten Abschnitts zumindest in mindestens einem zwischen den beiden Abschnitten angeordneten Abschnittsübergang im Wesentlichen tangential zur Grundkörpermantelfläche eines stromab angeordneten Abschnitts ausgerichtet ist. Die Steigung der beiden Abschnitte ist zumindest im Abschnittsübergang identisch ausgebildet.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der am nächsten zum Strömungsaustritt angeordnete Abschnitt der Grundkörpermantelfläche mit einem Radius gewölbt ausgebildet ist. Der Radius entspricht vorzugsweise dem Radius des Grundkörpers am Strömungsaustritt. Der im Strömungskanal stromauf angeordnete Abschnitt, der beispielsweise als ebene Fläche oder als konkave Fläche ausgebildet ist, ist im Abschnittsübergang tangential zur gewölbten Oberfläche des stromab angeordneten Abschnitts ausgerichtet.
Es hat sich allerdings auch herausgestellt, dass akzeptable Strömungseigenschaften erzielt werden, wenn die Grundkörpermantelfläche lediglich im Wesentlichen tangential, also annähernd tangential ausgerichtet ist. Beispielsweise sind Abweichungen von ± 15%, insbesondere ± 5% akzeptabel.
Mit dieser Ausgestaltung der Grundkörpermantelfläche wird vorteilhaft ein stetiges, sprungfreies Überleiten der Strömung in den anschließenden Abschnitt, insbesondere den letzten Abschnitt, der Grundkörpermantelfläche vor dem Strömungsaustritt realisiert.
Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens zwei Abschnitte der Grundkörpermantelfläche derart ausgebildet und zueinander ausgerichtet sind, dass am Abschnittsübergang eine Prandtl-Meyer-Expansion gewährleistet ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um den am nächsten zum Strömungsaustritt angeordneten Abschnitt der Grundkörpermantelfläche und den dazu stromauf angeordneten Abschnitt.
In Bezug auf den Wirkungsgrad lassen sich vorteilhafte Ergebnisse im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung realisieren, indem vorgesehen ist, dass der Strömungskanal, insbesondere jeder Strömungskanal, in seinem Verlauf einen kleinsten Querschnitt aufweist.
Vorteilhaft weist der Querschnittsverlauf jedes Strömungskanals das Profil einer Lavaldüse auf. Ausgehend von dem Strömungseintritt der Strömungskanäle nimmt der Querschnitt bis zu einem kleinsten Querschnitt der Strömungskanäle ab. Ab diesem kleinsten Querschnitt vergrößert sich der Querschnitt wieder kontinuierlich bis zu einem Strömungsaustritt, so dass eine Lavaldüse für die Strömung realisiert ist. Der Querschnitt ist folglich bis zum kleinsten Querschnitt konvergierend und ab dem kleinsten Querschnitt divergierend ausgebildet. Das Fluid kann dadurch auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, ohne dass Verdichtungsstöße auftreten.
Vorzugsweise nimmt der Querschnitt der Strömungskanäle ausgehend von einem Eintrittsquerschnitt am Beginn der Strömungskanäle, insbesondere kontinuierlich, bis zu einem kleinsten Querschnitt ab und nimmt ab - also stromabwärts - des minimalen Querschnitts, insbesondere kontinuierlich bis zu einem Austrittsquerschnitt der Strömungskanäle wieder zu.
Durch eine Veränderung der Oberflächenhöhe H der Schaufeln kann beispielsweise bei gleichbleibendem Abstand zwischen den beiden zueinander benachbarten Schaufeln der Querschnitt der Strömungskanäle nur über eine Veränderung der Querschnittshöhe H der Schaufeln, insbesondere über die Grundkörpermantelfläche, variiert werden. Beispielsweise ist dazu vorgesehen, dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln - Betrachtet in Strömungskanalschnittebenen E - bis zu dem kleinsten Querschnitt abnimmt und ab dem kleinsten Querschnitt kontinuierlich wieder zunimmt. Zur Veränderung der Oberflächenhöhe H der benachbarten Schaufeln wird vorteilhaft der Verlauf der Grundkörpermantelfläche angepasst.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Querschnitt der Strömungskanäle sowohl mittels des Abstands der zueinander gewandten Oberflächen der benachbarten Schaufeln, insbesondere orthogonal zur Strömungsrichtung, als auch mittels der Oberflächenhöhe H der Schaufeln variiert wird. Der Querschnittsverlauf jedes Strömungskanals zwischen zwei Schaufeln wird folglich über zwei Freiheitsgrade, also sowohl über den Abstand zwischen zwei zueinander weisenden Oberflächen der Schaufeln als auch über die Oberflächenhöhe H der Schaufeln variiert.
Ferner vorzugsweise erfolgt bis zu dem kleinsten Querschnitt eine Veränderung des Querschnitts lediglich über eine Veränderung des Abstandes und der Form der sich jeweils zugewandten Oberflächen der beiden benachbarten Schaufeln. Die Oberflächenhöhe H der Schaufeln - betrachtet in der Strömungskanalschnittebene E - ist bis zum kleinsten Querschnitt des Strömungskanals konstant. Ab dem kleinsten Querschnitt wird der Querschnitt sowohl über einen zunehmenden Abstand bzw. die Form der sich zugewandten Oberflächen der Schaufeln, als auch über eine kontinuierliche Vergrößerung der Oberflächenhöhe H der Schaufeln - betrachtet in Schaufelschnittebenen E - erreicht. Mit Strömungskanälen, die jeweils als Lavaldüse ausgestaltet sind, lassen sich optimale Ergebnisse in Bezug auf den Wirkungsgrad erzielen.
Es ist auch vorgesehen, dass der kleinste Querschnitt am Strömungseintritt angeordnet ist und sich der Querschnitt davon ausgehend im Verlauf des Strömungskanals vergrößert. Ferner ist vorgesehen, dass der kleinste Querschnitt am Strömungsaustritt angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Erzeugung einer kleinsten Querschnittsfläche in jedem Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Schaufeln nunmehr nicht lediglich vom Abstand zwischen den beiden Schaufeln abhängt, sondern auch über den Verlauf der Grundkörpermantelfläche beeinflusst werden kann. Trotz eines größeren Abstandes zwischen den Oberflächen der benachbarten Schaufeln, lassen sich dadurch beispielsweise kleinere Querschnittsflächen für den minimalen Querschnitt realisieren, indem die Oberflächenhöhe H, insbesondere die radiale Höhe, der Schaufeln lokal reduziert wird.
Bei der Fertigung durch Fräsen aus dem Vollen ist für den geringstmöglichen Querschnitt des Strömungskanals dann beispielsweise nicht mehr ein Mindestdurchmesser für den Fräskopf der limitierende Faktor, da die Querschnittsfläche auch über eine reduzierte Eindringtiefe des Fräskopfes realisierbar ist. Die vorteilhafte Strömungsleitvorrichtung ist dadurch kostengünstig fertigbar.
Mit den vorstehenden Ausgestaltungen lassen sich eine Vielzahl von charakteristischen Querschnittsflächenverläufen der Strömungskanäle konstruieren, um die Strömungskanäle möglichst nach den Auslegungsparametern zu betreiben und den Wirkungsgrad zu steigern.
Insbesondere um die Oberflächenhöhe H der Schaufeln im Verlauf des Strömungskanals zur variieren, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche im Strömungskanal, insbesondere in mindestens einem Abschnitt der Grundkörpermantelfläche, zumindest teilweise eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet ist.
Beispielsweise weist die Grundkörpermantelfläche in ihrem Verlauf zwischen Strömungseintritt und Strömungsaustritt mindestens einen konvexen Abschnitt und/oder mindestens einen konkaven Abschnitt und/oder mindestens einen ebenen Abschnitt auf. Bei einer Anordnung von konvexen und konkaven Abschnitten ist der Verlauf der Grundkörpermantelfläche splineförmig ausgebildet.
Vorzugsweise erstreckt sich die konvexe und/oder konkave Wölbung der Grundkörpermantelfläche nur in Strömungsrichtung. Ferner ist auch vorgesehen, dass sich die konvexe und konkave Wölbung der Grundkörpermantelfläche sowohl in Strömungsrichtung als auch orthogonal dazu erstreckt. Die Grundkörpermantelfläche weist dann beispielsweise eine in zwei Richtungen gewölbte Form auf.
Ferner ist vorgesehen, dass zumindest ein eben ausgebildeter Abschnitt der Grundkörpermantelfläche in Strömungsrichtung und/oder quer zur Strömungsrichtung geneigt angeordnet ist. Wenn die Grundkörpermantelfläche in einem Abschnitt als ebene Fläche mit einer Neigung ausgebildet ist, überbrückt dieser Abschnitt beispielsweise die Differenz zwischen dem größeren Durchmesser des Grundkörpers an dem kleinsten Querschnitt des Strömungskanals und einem kleineren Durchmesser am Strömungsaustritt des Strömungskanals. Die Grundkörpermantelfläche ist insbesondere rampenartig ausgebildet. Zur Überbrückung dieser Differenz ist der Abschnitt geneigt ausgerichtet. Es ist auch vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche im Verlauf der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, konkav und/oder konvex ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist eine konkave Grundkörpermantelfläche zwischen dem kleinsten Querschnitt und einem Abschnittsübergang zu dem letzten Abschnitt vor dem Strömungsaustritt angeordnet.
Es ist vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche im Verlauf des Strömungskanals vollständig stetig ist oder mindestens eine Unstetigkeit, insbesondere mindestens zwei Unstetigkeiten, aufweist.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Grundkörpermantelfläche stromab und/oder stromauf des kleinsten Querschnitts zumindest teilweise eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Grundkörpermantelfläche stromab des kleinsten Querschnitts zunächst einen - insbesondere in Strömungsrichtung - konvexen Abschnitt, anschließend einen konkaven oder ebenen Abschnitt und abschließend einen konvexen Abschnitt mit einem Radius auf.
Als vorteilhaft hat sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung herausgestellt, wenn vorgesehen ist, dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln am Strömungseintritt und/oder am kleinsten Querschnitt kleiner als die Oberflächenhöhe H der Schaufeln am Strömungsaustritt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird vorzugsweise der Querschnitt des Strömungskanals wesentlich über die Oberflächenhöhe H der Schaufeln im Verlauf des Strömungskanals variiert.
Ferner ist auch vorgesehen, dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln am Strömungseintritt und/oder am kleinsten Querschnitt größer als die Oberflächenhöhe H der Schaufeln am Strömungsaustritt ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln, ausgehend von dem kleinsten Querschnitt, in Richtung des Strömungsaustritts und/oder des Strömungsaustritts der Strömungskanäle zunimmt. Die Oberflächenhöhe der Schaufeln nimmt im Verlauf des Strömungskanals ausgehend von dem kleinsten Querschnitt in Richtung des Strömungsaustritts und/oder Strömungseintritts stetig oder unstetig zu.
Eine weitere Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung sieht vor, dass mindestens eine Oberfläche der beiden zueinander weisenden Oberflächen, insbesondere der benachbarten Schaufeln vor und/oder hinter dem kleinsten Querschnitt der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, eben und/oder konvex und/oder konkav ausgebildet ist. Bei den beiden zueinander weisenden Oberflächen der den Strömungskanal begrenzenden Schaufeln handelt es sich beispielweise um die Oberfläche auf der Saugseite einer ersten Schaufel und die Oberfläche auf der Druckseite einer zweiten Schaufel. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beide zueinander weisenden Oberflächen der benachbarten Schaufeln in Strömungsrichtung vor und/oder hinter einem kleinsten Querschnitt der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet sind.
Ist eine der Oberflächen sowohl teilweise konvex als auch teilweise konkav ausgebildet, hat sie eine splineförmige Ausgestaltung. Beispielsweise ist mindestens eine der Oberflächen in Strömungsrichtung konvex und/oder konkav oder ist mindestens eine der beiden Oberflächen sowohl in Strömungsrichtung als auch orthogonal dazu konvex und/oder konkav ausgebildet.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die zueinander weisenden Oberflächen der benachbarten Schaufeln in Strömungsrichtung hinter dem engsten Querschnitt der Strömungskanäle vollständig eben ausgebildet sind. Stromab der Stelle mit dem engsten Querschnitt sind beide zueinander gewandten Oberflächen der benachbarten Schaufeln als vollständig ebene Flächen ausgebildet. Die beiden Oberflächen sind vorzugsweise divergierend zueinander angeordnet, d. h. ihr Abstand wird mit zunehmendem Verlauf des Strömungskanals, also in Richtung des Strömungsaustritts, größer. Durch diese ebene Ausgestaltung lassen sich die Schaufeln auf einfache Weise fertigen.
Insbesondere ist die Oberfläche auf der Saugseite einer ersten Schaufel hinter dem kleinsten Querschnitt vollständig eben und die Oberfläche auf der Druckseite einer zweiten Schaufel hinter dem kleinsten Querschnitt vollständig eben ausgebildet.
Ferner ist beispielsweise vorgesehen, dass die zueinander weisenden Oberflächen, insbesondere der benachbarten Schaufeln, in Strömungsrichtung vor einem engsten Querschnitt der Strömungskanäle konvex oder konkav ausgebildet sind. Vorzugsweise ist eine der Oberflächen konvex und eine der Oberflächen konkav ausgebildet. Die Schaufeln sind zur Längsachse des Grundkörpers angestellt, so dass jede Schaufel eine Umlenkfläche - insbesondere auf der Druckseite - für die Strömung aufweist. Vorzugsweise ist die Umlenkfläche konkav ausgebildet, und die gegenüberliegende - Rückseite - der benachbarten Schaufel - insbesondere die Saugseite - ist konvex ausgebildet. Die Umlenkfläche ist vorzugsweise bis zum engsten Querschnitt des Strömungskanals konkav ausgebildet.
Mit diesem Ausführungsbeispiel lassen sich insbesondere zusammen mit der gleichzeitigen Variation der Höhe der Schaufeln, insbesondere über die Form und den Verlauf der Grundkörpermantelfläche, vorteilhafte Querschnittsverläufe für die Strömungskanäle gestalten, um den Wirkungsgrad zu steigern.
Eine weitere Ausgestaltung der Strömungsleitvorrichtung sieht vor, dass ein Durchmesser des Grundkörpers stromauf des Strömungskanals, insbesondere der Strömungskanäle, größer ist als der Durchmesser des Grundkörpers stromab des Strömungskanals oder umgekehrt. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Grundkörpers, insbesondere in Strömungsrichtung betrachtet, vor dem Strömungskanal größer ist, als der Durchmesser des Grundkörpers, insbesondere in Strömungsrichtung, hinter dem Strömungskanal. Beispielsweise hat der Grundkörper am Strömungseintritt des Strömungskanals den größten Durchmesser und am Strömungsaustritt des Strömungskanals den geringsten Durchmesser.
Der Strömungskanal, insbesondere die Grundkörpermantelfläche und die Oberflächenhöhe H der Schaufeln, ist so gestaltet, dass die Differenz der Durchmesser überbrückt wird. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Durchmesser des Grundkörpers im Strömungskanal bis zu einer Stelle mit dem geringsten Querschnitt des Strömungskanals konstant ist. Folglich weist die Grundkörpermantelfläche beispielsweise bis zum kleinsten Querschnitt eine Form auf, die der Oberflächenform des Grundkörpers vor dem Strömungseintritt entspricht. Nach dem kleinsten Querschnitt weist die Grundkörpermantelfläche einen Abschnitt auf, der als ebene Fläche oder als konkave Fläche ausgebildet ist. Es folgt ein Abschnitt, der sich bis zum Strömungsaustritt erstreckt, und der konvex mit dem Durchmesser des Grundkörpers am Strömungsaustritt gewölbt ist. Vorzugsweise beträgt die Durchmesserreduzierung zwischen dem Durchmesser vor dem Strömungseintritt und nach dem Strömungsaustritt - insbesondere des letzten Abschnitts - etwa 5% bis 15%, vorzugsweise etwa 10%.
Insbesondere um die Fertigung zu vereinfachen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass der Grundkörper und der Strömungskanal, insbesondere der Grundkörper und die Schaufeln, einstückig ausgebildet sind. Der Grundkörper und der Strömungskanal, insbesondere die Schaufeln, sind folglich aus einem einzigen Material ausgeformt. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Grundkörper und der Strömungskanal, insbesondere die Schaufeln, durch Fräsen aus dem Vollen ausgebildet sind.
Durch die Beeinflussung des Querschnitts des Strömungskanals über die Oberflächenhöhe H der Schaufeln bzw. über Gestaltung der Grundkörpermantelfläche lassen sich mittels eines Fräsers vorteilhafte Querschnittsverläufe für den Strömungskanal erstellen, da der engste Querschnitt nunmehr auch über die Eindringtiefe - bei gegebenem Fräskopfdurchmesser - eingestellt werden kann.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Grundkörper und der Strömungskanal, insbesondere die Schaufeln, durch ein additives Herstellungsverfahren ausgebildet sind. Als besonders vorteilhafte Verfahren haben sich beispielsweise das direkte Metall-Lasersintern (DMLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), das selektive Lasersintern (SLS), das selektive Laserschmelzen (SLM), das Metal Binder Jetting und das Nanopartikel Jetting herausgestellt. Mittels der additiven Fertigungsverfahren lassen sich vorteilhafte Querschnittsverläufe des Strömungskanals, insbesondere beispielsweise auch mit Hinterschnitten, realisieren.
Eine erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung kann auch folgendermaßen beschrieben werden: Strömungsleitvorrichtung, insbesondere für eine Strömungsmaschine, aufweisend mindestens einen Grundkörper und eine Mehrzahl von Schaufeln, wobei die Schaufeln über einen Umfang verteilt an dem Grundkörper angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Schaufeln jeweils mindestens ein Strömungskanal gebildet ist, so dass eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet sind, wobei der Strömungskanal am Strömungseintritt einen größeren Durchmesser als am Strömungsaustritt aufweist, wobei jeder Strömungskanal durch eine Grundkörpermantelfläche begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, die Grundkörpermantelfläche in mindestens einem Abschnitt rampenartig ausgebildet ist, so dass die Differenz der Durchmesser am Strömungseintritt und am Strömungsaustritt überbrückt wird, und dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln orthogonal zum mittleren Strompfad an jeder Stelle gleich ist, an unterschiedlichen Stellen aber variiert. Die Oberflächenhöhe H der Schaufeln wird im Verlauf des Strömungskanals variiert.
Eine erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung kann ferner auch folgendermaßen beschrieben werden: Strömungsleitvorrichtung, insbesondere für eine Strömungsmaschine, aufweisend mindestens einen Grundkörper und eine Mehrzahl von Schaufeln, wobei sich der Grundkörper entlang einer Längsachse erstreckt, wobei die Schaufeln über einen Umfang verteilt an dem Grundkörper angeordnet sind, wobei jede Schaufel eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Schaufeln jeweils mindestens ein Strömungskanal ausgebildet ist, so dass jeder Strömungskanal zumindest teilweise von der Saugseite einer ersten Schaufel und der Druckseite einer zweiten Schaufel begrenzt wird und eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet ist, und wobei der Grundkörper jeden Strömungskanal in dessen Verlauf mit einer Grundkörpermantelfläche begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite der ersten Schaufel und die Druckseite der zweiten Schaufel im Verlauf jedes Strömungskanals jeweils eine variierende Oberflächenhöhe H aufweisen, und dass jeder Strömungskanal in seinem Verlauf zumindest einen Abschnitt aufweist, in dem die Saugseite der ersten Schaufel und die Druckseite der zweiten Schaufel eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe H in der Schaufelschnittebene S aufweisen, wobei die Längsachse eine Ebenennormale zur Schaufelschnittebene S ist.
Eine erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung kann des Weiteren auch folgendermaßen beschrieben werden: Strömungsleitvorrichtung, insbesondere für eine Strömungsmaschine, aufweisend mindestens einen Grundkörper und eine Mehrzahl von Schaufeln, wobei die Schaufeln über einen Umfang verteilt an dem Grundkörper angeordnet sind, insbesondere wobei die von dem Grundkörper abgewandten Enden aller Schaufeln auf einem gemeinsamen Durchmesser angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Schaufeln jeweils mindestens ein Strömungskanal gebildet ist, so dass eine Mehrzahl von Strömungskanälen ausgebildet sind, wobei jeder Strömungskanal in seinem Verlauf einen variierenden Querschnitt aufweist, bevorzugt wobei eine Anströmung der Schaufeln mit einer Mediankomponente der Anströmgeschwindigkeit parallel zu einer Längsachse des Grundkörpers vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Strömungskanäle zumindest abschnittsweise durch eine sich verändernde Oberflächenhöhe mindestens einer der beiden jeweils benachbarten Schaufeln variiert wird. Insbesondere dass die Oberflächenhöhe H der Schaufeln orthogonal zur Strömungsrichtung - orthogonal zum mittleren Strompfad - gleich variiert wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine, mit mindestens einer, vorzugsweise einer Mehrzahl von Strömungsleitvorrichtungen nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung und den abhängigen Unteransprüchen.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung in perspektivischer Ansicht mit Blick auf den Strömungsaustritt,
2 das Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Ansicht mit Blick auf den Strömungseintritt,
3 eine perspektivische Ansicht auf den Strömungsaustritt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 1 und 2,
4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 1 und 2,
5 ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 1 und 2 mit Blick in den Strömungskanal, ausgehend vom Ström ungsaustritt,
6 ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 1 und 2 mit Blick auf den Strömungsaustritt des Strömungskanals,
7 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels einer Strömungsleitvorrichtung in einer ersten Schaufelschnittebene,
8 einen Schnitt des Ausführungsbeispiels einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 7 in einer zweiten Schaufelschnittebene,
9 einen Schnitt des Ausführungsbeispiels einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 7 und 8 in einer dritten Schaufelschnittebene,
10 einen Schnitt des Ausführungsbeispiels einer Strömungsleitvorrichtung gemäß 7, 8 und 9 in einer vierten Schaufelschnittebene,
11a ein Ausführungsbeispiel einer Abwicklung eines Schaufelquerschnitts für eine Schaufel einer Strömungsleitvorrichtung, und
11b ein Ausführungsbeispiel einer Abwicklung eines Schaufelquerschnitts für eine Schaufel einer Strömungsleitvorrichtung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
Zu der Beschreibung wird beansprucht, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr ist jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels von Bedeutung für den Gegenstand der Erfindung.
1 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Strömungsleitvorrichtung 1 in verschiedenen Ansichten und Vergrößerungen. Die Strömungsleitvorrichtung 1 weist einen Grundkörper 3 und eine Mehrzahl von Schaufeln 4 auf. Die Schaufeln 4 sind gleichmäßig über einen Grundkörperumfang 5 des Grundkörpers 3 verteilt angeordnet. Von jeweils zwei benachbarten Schaufeln 4 wird jeweils ein Strömungskanal 6 seitlich begrenzt, so dass über den Umfang 5 des Grundkörpers 3 verteilt eine Mehrzahl von Strömungskanälen 6 ausgebildet sind. Die Anzahl der Strömungskanäle 6 ist abhängig von der Anzahl der Schaufeln 4. Jeder Strömungskanal 6 weist in seinem Verlauf zwischen Strömungseintritt 7 und Strömungsaustritt 2 einen variierenden Querschnitt auf. Der Strömungseintritt 7 erstreckt sich an der Anströmseite für jeden Strömungskanal 6 zwischen einer Vorderkante 4a der einen Schaufel 4 und einer Vorderkante 4a der anderen Schaufel 4 - siehe 2. Der Strömungsaustritt 2 erstreckt sich für jeden Strömungskanal an der Abströmseite zwischen einer Hinterkante 4b der einen Schaufel und einer Hinterkante 4b der anderen Schaufel 4 - 1. Der Grundkörper 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Nabe ausgebildet. Eine Öffnung für den Durchtritt einer Welle ist nicht dargestellt.
1 zeigt eine Ansicht von einer Abströmseite der Strömungsleitvorrichtung 1 bei Verwendung als Leitrad. 2 zeigt die Anströmseite bei Verwendung als Leitrad. Gemäß 1 liegen die von dem Grundkörper 3 weggewandten Enden 8 der Schaufeln 4 auf einem gemeinsamen Durchmesser D1. Insbesondere liegt bei diesem Ausführungsbeispiel das gesamte Ende 8 jeder Schaufel in einer gewölbten Fläche, von der jeder Punkt auf dem gemeinsamen Durchmesser D1 liegt.
Im Montagezustand der Strömungsleitvorrichtung 1 ist auf die Enden 8 der Schaufeln 4 ein - nicht dargestellter - Deckelring aufgebracht, der die Strömungskanäle 6 begrenzt. Der Grundkörper 3 hat am Strömungseintritt 7 der Strömungskanäle 6 einen Durchmesser D2 - siehe 2 -, der um etwa 10% größer ist als ein Durchmesser D3 am Strömungsaustritt 2 - siehe 1.
Gemäß 1 bis 6 beginnt der Verlauf jedes Strömungskanals 6 zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln 4 am Strömungseintritt 7 - zwischen den Vorderkanten 4a. Die Schaufeln 4 sind zur Längsachse L des Grundkörpers 3 in einem Winkel von etwa 10° angestellt, so dass die die Schaufeln 4 anströmende Strömung von den Strömungskanälen 6 umgelenkt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind alle Schaufeln 4 und damit alle Strömungskanäle 6 identisch ausgebildet.
Gemäß 3, 4 und 6 ist eine Oberflächen H₁ der Schaufeln 4 am Strömungseintritt 7 geringer als eine Oberflächenhöhe H₂ der Schaufeln 4 am Strömungsaustritt 2. Die Schaufeln 4 sind radial ausgerichtet, so dass die Oberflächenhöhe H der radialen Höhe entspricht. Die radiale Höhe - und hier auch die Oberflächenhöhe H - der Schaufeln 4 wird in radialer Richtung entlang einer Linie ausgehend von der Längsachse L des Grundkörpers 3 ermittelt - siehe 1. Die radiale Höhe wird gemessen zwischen einer Oberfläche des Grundkörpers 3 entlang dieser Linie und dem von dem Grundkörper 3 weggewandten Ende 8 der Schaufeln 4 - siehe 1.
Gemäß 1 bis 6 weisen die Strömungskanäle 6 in ihrem Verlauf zwischen Strömungseintritt 7 und Strömungsaustritt 2 einen sich verändernden Querschnitt auf. Der Querschnitt der Strömungskanäle 6 wird durch einen variierenden Abstand der Schaufeln 4 zueinander orthogonal zur Strömungsrichtung, als auch durch die sich im Verlauf der Strömungskanäle 6 ändernde Oberflächenhöhe H der Schaufeln 4 beeinflusst. Jeder Strömungskanal 6 weist einen kleinsten Querschnitt 9 auf.
Jeder Strömungskanal 6 wird seitlich durch die zueinander gewandten Oberflächen 10, 11, nämlich - in Strömungsrichtung betrachtet - eine rückseitige Oberfläche 10 - hier saugseitige Oberfläche 10 - einer Schaufel 4 und eine vorderseitige Oberfläche 11 einer Schaufel 4 - hier druckseitige Oberfläche 11 - begrenzt. Jede der Oberflächen 10, 11 weist zumindest einen ersten Oberflächenabschnitt 10a, 11a vor dem kleinsten Querschnitt 9 und einen zweiten Oberflächenabschnitt 10b, 11b nach dem kleinsten Querschnitt 9 auf.
Gemäß 1 bis 4 ist der erste Oberflächenabschnitt 10a der Oberfläche 10 vor stromauf des kleinsten Querschnitts 9 konvex ausgebildet. Der erste Oberflächenabschnitt 11a der Oberfläche 11, die der Oberfläche 10 zur Begrenzung des Strömungskanals 6 zugewandt ist, ist bis zum kleinsten Querschnitt 9 konkav ausgebildet. Die Oberflächenabschnitte 10a, 11a sind konvergierend zueinander ausgerichtet, so dass sich ihr Abstand in Richtung des kleinsten Querschnitts 9 verringert. Die Oberflächenhöhe H₁ der Schaufeln 4 und der Durchmesser D2 des Grundkörpers 3 sind bis zum kleinsten Querschnitt 9 konstant.
Der zweite Oberflächenabschnitt 10b der Oberfläche 10 stromab des kleinsten Querschnitts 9 ist vollständig eben ausgebildet. Auch der zweite Oberflächenabschnitt 11b der Oberfläche 11 stromab des kleinsten Querschnitts 9 ist vollständig eben ausgebildet. Stromab des kleinsten Querschnitts 9 sind die Oberflächenabschnitte 10b, 11b bzw. die Oberflächen 10, 11 divergierend zueinander ausgerichtet, so dass sich ihr Abstand in Richtung des Strömungsaustritts 2 vergrößert. Stromab des kleinsten Querschnitts 9 nimmt die Oberflächenhöhe H der Schaufeln 4 kontinuierlich bis zur Höhe H₂ am Strömungsaustritt 2 zu. Der Durchmesser D2 des Grundkörpers 2 verringert sich im Verlauf des Strömungskanals 6 auf den Durchmesser D3 am Strömungsaustritt 2.
Jeder Strömungskanal 6 wird in seinem Verlauf durch eine Grundkörpermantelfläche 12 begrenzt. Im Montagezustand wird jeder Strömungskanal 6 ferner durch einen - nicht dargestellten - Deckelring am Ende 8 der Schaufeln 4 begrenzt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 6 weist die Grundkörpermantelfläche 12 einen ersten Abschnitt 12a vor dem kleinsten Querschnitt 9, einen zweiten Abschnitt 12b hinter dem kleinsten Querschnitt 9 und einen dritten Abschnitt 12c unmittelbar am Strömungsaustritt 2 auf.
Der erste Abschnitt 12a der Grundkörpermantelfläche 12 ist konvex ausgebildet und weist den Durchmesser D2 bis zum kleinsten Querschnitt 9 auf - siehe 2, 4 und 5. Der zweite Abschnitt unmittelbar hinter dem kleinsten Querschnitt 9 ist in Strömungsrichtung konkav ausgebildet. Der zweite Abschnitt 12b ist in Strömungsrichtung geneigt ausgerichtet und erstreckt sich bis zu einem Abschnittsübergang 13 - siehe 1, 3, 5 und 6. Ab dem Abschnittsübergang 13 folgt ein dritter Abschnitt 12c der Grundkörpermantelfläche 12, der konvex ausgebildet ist und den Durchmesser D3 am Strömungsaustritt 2 aufweist - siehe 1, 3, 5 und 6.
Durch die geneigte Anordnung der Grundkörpermantelfläche 12 im zweiten Abschnitt 12b in den Strömungskanälen 6 nimmt die Oberflächenhöhe H der Schaufeln 4 im Verlauf der Strömungskanäle 6 zu, wodurch auch der Querschnitt des Strömungskanals 6 vergrößert wird. Die Strömungskanäle 4 sind als Lavaldüsen ausgebildet.
Dadurch, dass der Querschnitt der Strömungskanäle 6 nicht nur in seiner Breite - der Abstand der Oberflächen 10, 11 orthogonal zur Strömungsrichtung bzw. zum mittleren Stromfaden -, sondern auch in seiner Höhe - Form und Verlauf der Grundkörpermantelfläche 12 - verändert wird, lassen sich vielfältige Profilverläufe für den Strömungskanal 6 auslegen und im Auslegungszustand betreiben, so dass der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine durch eine derartige Strömungsleitvorrichtung 1 gesteigert wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 6 ist der Querschnitt des Strömungskanals 6 an jeder Stelle in seinem Verlauf rechteckig ausgebildet, so dass sich der Querschnitt durch Multiplikation der Oberflächenhöhe der Schaufel 4 und dem Abstand der Oberflächen 10, 11 an der jeweiligen Stelle berechnet. Insbesondere im zweiten Abschnitt 12b der Grundkörpermantelfläche 12 ist die Oberflächenhöhe H₅ für die Oberflächen 10b, 11b in jeder Strömungskanalschnittebene E entlang des und orthogonal zum mittleren Stromfaden im Wesentlichen gleich. In 6 ist beispielhaft eine Strömungskanalschnittebene E von vielen Strömungskanalschnittebenen E im Verlauf des Strömungskanals 6 mit der zugehörigen Oberflächenhöhe H₅ dargestellt, nämlich an dem Abschnittsübergang 13 zwischen dem zweiten Abschnitt 12b und dem dritten Abschnitt 12c.
Gemäß 1, 3, 5 und 6 ist der zweite Abschnitt 12b der Grundkörpermantelfläche 12 im Abschnittsübergang 13 zum dritten Abschnitt 12c tangential zur Grundkörpermantelfläche 12 im dritten Abschnitt 12c ausgerichtet, um eine optimale Überleitung der Strömung zu gewährleisten. Die Steigung des zweiten Abschnitts 12b der Grundkörpermantelfläche 12 ist im Abschnittsübergang 13 im Wesentlichen identisch zur Steigung des dritten Abschnitts 12c der Grundkörpermantelfläche 12. Der dritte Abschnitt 12c hinter dem Abschnittsübergang 13 weist einen Durchmesser D3 gemäß 1 auf. Der dritte Abschnitt 12c ist zwischen den Schaufeln 4, insbesondere zwischen den Hinterkanten 4b der Schaufeln 4, konvex, insbesondere kreisrund, ausgebildet.
Durch die dünnen Hinterkanten 4b der Schaufeln 4 in Verbindung mit dem kreisrunden, dritten Abschnitt 12c der Grundkörpermantelfläche 12 vor dem Strömungsaustritt 2 kann eine Strömung optimal die Strömungsleitvorrichtung verlassen und ein ggf. anschließendes Laufrad anströmen. Hierdurch wird ein gesteigerter Wirkungsgrad erreicht.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 6 sind der Grundkörper 3 und die Schaufeln 4 einstückig ausgebildet, nämlich aus dem Vollen gefräst. Bisher war der Durchmesser eines Fräskopfes die limitierende Größe für den Abstand der Oberflächen 10, 11 orthogonal zur Strömungsrichtung bzw. dem mittleren Stromfaden am kleinsten Querschnitt 9. Dadurch, dass erfindungsgemäß nunmehr auch die Oberflächenhöhe H im Bereich des kleinsten Querschnitts 9 beeinflussbar ist, lassen sich geringere kleinste Querschnitte bei unverändertem Durchmesser des Fräskopfes realisieren.
7 bis 10 zeigen Schnitte durch eine Strömungsleitvorrichtung 1 gemäß den Ausführungsbeispielen der 1 bis 6 in vier unterschiedlichen Schaufelschnittebenen S. Die Schaufelschnittebenen S sind so angeordnet, dass sie von der Längsachse L des Grundkörpers 3 als Ebenennormale durchtreten werden. Ausgehend vom Strömungseintritt 7 sind die vier Schnitte der 7 bis 10 mit zunehmendem Abstand entlang der Längsachse L des Grundkörpers 3 angeordnet. Die Schaufelschnittebene S gemäß 10 ist entlang der Längsachse L am weitesten vom Strömungseintritt 7 entfernt.
Die Schaufelschnittebene S an einer Stelle der Längsachse L gemäß 7 schneidet den ersten Abschnitt 12a und den zweiten Abschnitt 12b der Grundkörpermantelfläche 12. Am kleinsten Querschnitt 9, insbesondere am dortigen Abschnittsübergang 14, weist die Grundkörpermantelfläche eine Unstetigkeit auf. Die Schaufelschnittebene S an einer weiteren Stelle der Längsachse L gemäß 8 schneidet die Grundkörpermantelfläche im zweiten Abschnitt 12b. Die Schaufelschnittebene S an einer dritten Stelle der Längsachse L gemäß 9 schneidet die Grundkörpermantelfläche 12 im zweiten Abschnitt 12b. Die Schaufelschnittebene S an einer vierten Stelle gemäß 10 der Längsachse L schneidet die Grundkörpermantelfläche 12 im zweiten Abschnitt 12b und im dritten Abschnitt 12c.
Gemäß 7 bis 10 ist eine Oberflächenhöhe H₃ der Schaufel 4 an der - hier druckseitigen - Oberfläche 11 verschieden zu einer Oberflächenhöhe H₄ an der in Bezug auf den Strömungskanal 6 gegenüberliegenden - hier saugseitigen - Oberfläche 10 der benachbarten Schaufel. Die Oberflächenhöhe H der Schaufeln 4, insbesondere der Verlauf der Grundkörpermantelfläche 12, ist so gestaltet, dass die Oberflächenhöhe H₃ stets kleiner als die Oberflächenhöhe H₄ ist. Mit dieser Randbedingung lässt sich ein vorteilhafter Querschnittsverlauf für den Strömungskanal 6 erzeugen, wenn nämlich wie hier der Durchmesser D3 am Strömungsaustritt 2 geringer ist als der Durchmesser D2 am Strömungseintritt 7 und die Grundkörpermantelfläche 12 stromab des kleinsten Querschnitts 9 als konkav gewölbte Fläche ausgebildet ist, die die Durchmesserdifferenz, insbesondere mit dem zweiten Abschnitt 12b, überbrückt.
Gemäß 10 schneidet die Schaufelschnittebene S an einer vierten Stelle der Längsachse L die Grundkörpermantelfläche 12 im zweiten Abschnitt 12b und im dritten Abschnitt 12c. Im Abschnittsübergang 13 zwischen dem zweiten Abschnitt 12b und dem dritten Abschnitt 12c ist die Steigung des zweiten Abschnitts 12b und des dritten Abschnitts 12c identisch. Der zweite Abschnitt 12b geht tangential in den dritten Abschnitt 12c über. Der dritte Abschnitt 12c ist mit dem Durchmesser D3 gewölbt ausgebildet, so dass die Grundkörpermantelfläche 12 am Strömungsaustritt 2 kreisrund ausgebildet ist.
11a und 11b zeigen zwei abgewickelte Querschnitte für Schaufeln 4 für Strömungsleitvorrichtungen 1 gemäß 1 bis 6. Bei dem Ausführungsbeispiel der 10a sind stromab des kleinsten Querschnitts 9 die aufeinander gerichteten Oberflächen 10,11 der Schaufeln 4, insbesondere die zweiten Oberflächenabschnitte 10b, 11b, vollständig eben und divergierend zueinander ausgebildet. Der erste Oberflächenabschnitt 10a der Oberfläche 10 - hier saugseitige Oberfläche 10 - ist bis zum kleinsten Querschnitt 9 konvex und der erste Oberflächenabschnitt 11a der Oberfläche 11 - hier druckseitige Oberfläche 11 - ist konkav ausgebildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 11b sind die Oberflächen 10, 11 bis zum kleinsten Querschnitt 9, also die ersten Oberflächenabschnitte 10a, 11a identisch zu dem Ausführungsbeispiel der 11a ausgebildet. Stromab des kleinsten Querschnitts 9 ist der zweite Oberflächenabschnitt 10b der Oberfläche 10 - hier saugseitige Oberfläche 10 - vollständig eben und der zweite Oberflächenabschnitt 11b der Oberfläche 11 - hier druckseitige Oberfläche 11 - bis zum Strömungsaustritt 2 konkav ausgebildet.
Durch diese Variation des Abstandes der Schaufeln 4 zueinander orthogonal zur Strömungsrichtung lässt sich der Querschnittsverlauf des Strömungskanals 6 vorteilhaft anhand der Auslegung konstruieren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen beziehungsweise durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Strömungsleitvorrichtung
2: Strömungsaustritt
3: Grundkörper
4: Schaufel
4a: Vorderkante von 4
4b: Hinterkante von 4
5: Grundkörperumfang
6: Strömungskanal
7: Strömungseintritt
8: von 3 weggewandtes Ende von 4
9: kleinster Querschnitt
10: Oberfläche von 4
10a: erster Oberflächenabschnitt von 10 vor dem kleinsten Querschnitt 9
10b: zweiter Oberflächenabschnitt von 10 nach dem kleinsten Querschnitt 9
11: Oberfläche von 4
11 a: erster Oberflächenabschnitt von 11 vor dem kleinsten Querschnitt 9
11b: zweiter Oberflächenabschnitt von 11 nach dem kleinsten Querschnitt 9
12: Grundkörpermantelfläche
12a: erster Abschnitt von 12
12b: zweiter Abschnitt von 12
12c: dritter Abschnitt von 12
13: Abschnittsübergang von 12
14: Abschnittsübergang von 12
D1: Durchmesser am Ende 8 von 4
D2: Durchmesser am Strömungseintritt 7 von 3
D3: Durchmesser am Strömungsaustritt 2 von 3
L: Längsachse
H1: Oberflächenhöhe von 4 am Strömungseintritt 7
H2: Oberflächenhöhe von 4 am Strömungsaustritt 2
H3: Oberflächenhöhe von 4 an 11 in S
H4: Oberflächenhöhe von 4 an 10 in S
H5: Oberflächenhöhe von 4 an 10,11 in E
S: Schaufelschnittebene
E: Strömungskanalschnittebene

Claims

Strömungsleitvorrichtung (1), insbesondere für eine Strömungsmaschine, mit mindestens einem Grundkörper (3), wobei sich der Grundkörper (3) entlang einer Längsachse (L) erstreckt, wobei der Grundkörper (3) auf einem Grundkörperumfang (5) mindestens einen Strömungskanal (6) aufweist, wobei der Strömungskanal (6) in seiner Erstreckung von einer Grundkörpermantelfläche (12) und von zwei zueinander weisenden Oberflächen (10,11) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörpermantelfläche (12) derart ausgebildet ist, dass die beiden zueinander weisenden Oberflächen (10,11) in mindestens einer Schaufelschnittebene (S) eine voneinander verschiedene Oberflächenhöhe (H) aufweisen, und dass die Längsachse (L) eine Ebenennormale zur Schaufelschnittebene (S) ist.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörpermantelfläche (12) ferner derart ausgebildet ist, dass die Oberflächenhöhen (H) der zueinander weisenden Oberflächen (10,11) in mindestens einer Strömungskanalschnittebene (E) im Wesentlichen gleich sind, wobei die Strömungskanalschnittebene (E) jeweils von einem mittleren Stromfaden in Normalenrichtung durchtreten wird, insbesondere dass eine Schnittlinie der Strömungskanalschnittebene (E) und der Schaufelschnittebene (S) einen mittleren Stromfaden des Strömungskanals (6) schneidet.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schaufel (4) auf dem Grundkörperumfang (5) angeordnet sind, bevorzugt dass mindestens zwei Schaufeln (4) auf dem Grundkörperumfang (5) angeordnet sind, und dass der Strömungskanal (6) zwischen den Schaufeln (4) ausgebildet ist.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Schaufeln (4) auf dem Grundkörperumfang (5) angeordnet ist, und dass jeweils zwischen zwei Schaufeln (4) mindestens ein Strömungskanal (6) ausgebildet ist, so dass auf dem Grundkörperumfang (5) eine Mehrzahl von Strömungskanälen (6) ausgebildet sind.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörpermantelfläche (12) in ihrem Verlauf mindestens zwei Abschnitte (12a,12b,12c) mit unterschiedlicher Oberflächenform aufweist, insbesondere dass die Grundkörpermantelfläche (12) eines stromauf angeordneten Abschnitts (12b) zumindest in einem zwischen den beiden Abschnitten (12b,12c) angeordneten Abschnittsübergang (13) im Wesentlichen tangential zur Grundköpermantelfläche (12) eines stromab angeordneten Abschnitts (12c) ausgerichtet ist.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform mindestens eines Abschnitts (12a,12b,12c) der Grundkörpermantelfläche (12) abweichend von einer Oberflächenform des Grundkörpers (3) stromauf und/oder stromab des Strömungskanals (6) ausgebildet ist.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (6) in seinem Verlauf einen kleinsten Querschnitt (9) aufweist, insbesondere dass der Querschnittsverlauf des Strömungskanals (6) das Profil einer Lavaldüse aufweist.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörpermantelfläche (12) zumindest teilweise eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet ist, insbesondere dass die Grundkörpermantelfläche (12) stromab und/oder stromauf des kleinsten Querschnitts (9) zumindest teilweise eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet ist.
Strömungsleitvorrichtung (1) einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenhöhe (H) der Schaufeln (4) am Strömungseintritt (7) und/oder am kleinsten Querschnitt (9) kleiner als die Oberflächenhöhe (H) der Schaufeln (4) am Strömungsaustritt (2) ist oder umgekehrt.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenhöhe (H) der Schaufeln (4), ausgehend von dem kleinsten Querschnitt (9), in Richtung des Strömungsaustritts (2) und/oder des Strömungseintritts (7) zunimmt.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche (10,11) der zueinander weisenden Oberflächen (10,11), insbesondere der benachbarten Schaufeln (4), vor und/oder hinter dem kleinsten Querschnitt (9) der Strömungskanäle (6) eben und/oder konvex und/oder konkav ausgebildet ist, insbesondere dass beide zueinander weisenden Oberflächen (10,11), insbesondere der benachbarten Schaufeln (4), in Strömungsrichtung vor und/oder hinter einem kleinsten Querschnitt (9) der Strömungskanäle (6) eben und/oder konkav und/oder konvex ausgebildet sind.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (D2) des Grundkörpers (3) stromauf des Strömungskanals (6) größer ist als der Durchmesser (D3) des Grundkörpers (3) stromab des Strömungskanals (6) oder umgekehrt.
Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3) und der Strömungskanal (6), insbesondere der Grundkörper (3) und die Schaufeln (4), einstückig ausgebildet sind, insbesondere dass der Grundkörper (3) und der Strömungskanal (6), insbesondere die Schaufeln (4), durch Fräsen aus dem Vollen ausgebildet sind, oder dass der Grundkörper (3) und der Strömungskanal (6), insbesondere der Grundkörper (3) und die Schaufeln (4) durch ein additives Herstellungsverfahren ausgebildet sind.
Strömungsmaschine, insbesondere eine Dampfturbine, eine ORC-Turbine, eine Gasturbine, ein Verdichter, eine Wasserstoffturbine oder ein Wasserstoffverdichter, mit mindestens einer Strömungsleitvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als mindestens ein Laufrad oder als mindestens ein Leitrad.