Diffusor Die Erfindung betrifft einen Diffusor einer Radialturbomaschine, insbesondere eines Radialturboverdichters, wobei der Diffusor sich ringförmig um eine Achse erstreckt, wobei der Diffusor über einen Umfang der Achse verteilte Leitschaufeln aufweist, wobei die Leitschaufeln sich jeweils von einer ra- dial innen befindlichen Eintrittskante bis zu einer radial weiter außen befindlichen Austrittkante erstrecken, wobei die Leitschaufeln in zumindest zwei Gruppen aufgeteilt sind, in eine erste Gruppe der ersten Leitschaufeln und in eine zweite Gruppe der zweiten Leitschaufeln, wobei die ersten Leitschau- fein eine gegenüber der Eintrittskante der zweiten Leitschau ^¬ feln um einen Radialabstand radial weiter außen angeordnete Eintrittskante aufweisen.

Derartige Diffusoren sind bereits aus der DE 3705307 AI be- kannt . Der Stand der Technik fokussiert sich auf die Erweite ^¬ rung des Betriebsbereichs hinsichtlich der Pumpgrenze, indem die Schaufeln des radialen Diffusors abwechselnd mit zwei un ^¬ terschiedlichen Längen gefertigt werden. Auf diese Weise sollen Instabilitäten verhindert werden.

Bei Radialverdichtern verlässt das Prozessfluid das Laufrad radial nach außen und gelangt von dort in den Diffusor, welcher ebenfalls radial nach außen durchströmt wird. Häufig be ^¬ findet sich stromabwärts des Diffusors ein spiralförmiger Sammelraum, der in eine stromabwärtige Ableitung des Prozess- fluids mündet. Alternativ kann die Erfindung auch für Stufen wo ein Rückführkanal folgt verwendet werden, wenn der Rück ^¬ führkanal einen beschaufelten Diffusor stromabwärts des Lauf ^¬ rades aufweist.

Die Diffusoren können mit einer Beschaufelung ausgestattet sein, wobei es für diese Leitschaufeln grundsätzlich zwei unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten gibt. Es wird hier zwischen dem Low-Solidity-Diffusor (LSD) mit geringer Schaufelüberdeckung und sogenannten Kanaldiffusoren, die auch als aerodynamische Diffusoren (AE-Diffusor) bezeichnet werden, unterschieden. Die aerodynamischen Diffusoren werden aufgrund eines nachteilhaft kleineren Fahrbereichs nur selten verwen ^¬ det. Die Low-Solidity-Diffusoren bieten einen deutlich größeren Fahrbereich mit akzeptablen Wirkungsgraden auch im Auslegepunkt des Verdichters. Moderne Verdichter verwenden daher nahezu ausschließlich Low-Solidity-Diffusoren .

Insbesondere bei Radialverdichtern mit geringen Durchflussziffern ist der Einsatz eines beschaufelten Diffusors aerodynamisch in der Regel unvermeidbar. Der einerseits deutlich bessere Wirkungsgrad des Verdichters verglichen zur un- beschaufelten Variante sowie die Unterdrückung von Strömungsinstabilitäten im Teillastbereich machen den Low-Solidity- Diffusor zur bevorzugten Ausführung.

Ein gravierender Nachteil der beschaufelten Ringräume ist aber die Rückwirkung auf das rotierende Laufrad und die damit verbundene Anregung der Laufradstruktur . In der Regel ist der Abstand zwischen dem Laufradaustritt und der Eintrittskante der einzelnen Leitschaufel, insbesondere bei Einsatz eines Low-Solidity-Diffusors , verhältnismäßig gering, so dass dreh ^¬ zahlharmonische Anregungen mit hohen Amplituden (aufgrund des geringen Abstandes) stattfinden. Insbesondere bei drehzahlva ^¬ riablen Radialturbomaschinen ist ist ein Betrieb ohne Resonanzstellen (Anregung entspricht einer Laufradeigenfrequenz ) nahezu unmöglich, weil die Drehzahlen hierbei beispielsweise zwischen 50% und 105% einer sogenannten Nenndrehzahl variieren .

Anders, als der unbedingt zu vermeidende Pumpvorgang bei Tur ^¬ bomaschinen, kann dieser Betriebsmodus im Bereich der dreh- zahlharmonischen Anregung, aus prozesstechnischen Gründen in der Regel nicht reglungstechnisch ausgeschlossen werden. Die Anregungsfrequenz entspricht hierbei dem Produkt aus der Drehzahl des Verdichters und der Anzahl der Leitschaufeln in dem Diffusor sowie dem Vielfachen dieses Produktes. Diese ungewollte Schwingungsanregung verkürzt die Standzeit der Ma ^¬ schine . Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, die

Laufruhe entsprechender Radialturbomaschinen bzw. das Anregungspotential von Diffusoren zu verringern.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Diffusor der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des unabhängigen Anspruchs vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Ausdrücke, wie radial, tangential, Umfangsrichtung oder

Durchmesser beziehen sich im Kontext der Erfindung stets auf eine zentrale Achse des erfindungsgemäßen Diffusors, sofern nicht anders angegeben. Im Durchmesser angegebene Größen betragen hierbei stets das Doppelte von im Radius angegebenen Größen.

Der nach der Erfindung radial ausgestaltete bzw. zu durchströmende Diffusor weist Leitschaufeln auf, die eine Ein ^¬ trittskante und eine Austrittskante aufweisen.

Vereinfachend geht die Beschreibung der Erfindung zunächst von zylindrisch gestalteten Leitschaufeln aus, wobei die Erfindung auch auf dreidimensional gestaltete Leitschaufeln an ^¬ wendbar ist. Die Durchmesserangaben für die Eintrittskanten beziehen sich bei dreidimensional gestalteten Schaufeln - also beispielsweise Leitschaufeln mit geneigter und/oder gebogener Eintrittskante auf einen mittleren Durchmesser, gemit- telt über die Längserstreckung des Schaufelblatts, wobei die Längserstreckung auch als Höhenrichtung bezeichnet werden kann und diese Richtung bei dem im Wesentlichen radial durchströmten Diffusor nach der Erfindung im Wesentlichen axial verläuft . Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung mit:

DL2 = DL1 * (1 + DRM)

und

1 , 9 > Z * DRM > 0,6

mit :

DL1 : Durchmesser der Eintrittskanten (LDE) der ersten Leitschaufeln (VN1),

DL2 : Durchmesser der Eintrittskanten (LDE) der

zweiten Leitschaufeln (VN2),

DRM: Differenzfaktor

Z: Anzahl der Leitschaufeln (VNS) .

Grundsätzlich ist es nach der Erfindung denkbar, die Leit- schaufeln nicht in nur zumindest zwei Gruppen aufzuteilen, sondern eine beliebige Anzahl von Gruppen vorzusehen. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Gesamtanzahl an Leitschaufeln eine regelmäßige Zusammenstellung der Gesamtbeschaufelung aus den einzelnen Gruppen ermöglicht. Beispielsweise ist es sinn- voll, wenn zwei gleich große Gruppen von Leitschaufeln vorgesehen sind, dass die Gesamtanzahl der Leitschaufeln gradzah- lig ist. Besonders zweckmäßig ist die Erfindung, wenn die An ^¬ ordnung der Leitschaufeln in dem Diffusor eine Schaufelsolidität (normalerweise als Blade-Solidity bezeichnet) aufweist, mit:

BLS = CDL / S < 0, 9 und

S = π * DM / Z

mit

BLS: Schaufel-Solidität

CDL: mittlere Sehnenlänge der Leitschaufeln VNS

DM: mittlerer Leitschaufeldurchmesser

Z: Schaufelzahl

S: Umfangskonstante . Der mittlere Leitschaufeldurchmesser DM ist der Mittelwert über alle individuell mittleren Leitschaufeldurchmesser der Leitschaufeln, wobei der mittlere Leitschaufeldurchmesser einer einzelnen Leitschaufel bestimmt wird als der Mittelwert des Durchmessers der Eintrittskante und des Durchmessers der Austrittskante über die Schaufelhöhe.

Die in Umfangsrichtung angeordnete Folge von nach der Erfin- dung in einem speziellen Ausmaß größeren und kleineren Eintrittskantendurchmessern von Leitschaufeln führt zu einer weniger regelmäßigen Interaktion zwischen den Austrittskanten des Laufrades und den Eintrittskanten des - besonders bevor ^¬ zugt als Low-Solidity-Diffusor ausgeführten - Diffusors, ver- glichen mit er herkömmlichen Ausbildung, so dass sich eine reduzierte Anregung der Laufradstruktur ergibt. Die regelmä ^¬ ßige Anregung der herkömmlichen Ausführung wird erfindungsgemäß ersetzt durch mehrere niederfrequentere Anregungen unter ^¬ schiedlicher Stärke, weil sich die Anregungshöhe bzw. Anre- gungsstärke zumindest einiger bzw. einer Gruppe reduziert. Die Amplituden der verschiedenen Anregungsmuster sind teilweise geringer als die des Anregungsmusters bei herkömmlicher Ausführung. Aufgrund der reduzierten Anregungsfrequenz und/oder Anregungsstärke ist auch die Übereinstimmungswahr- scheinlichkeit mit einer Laufradeigenfrequenz im Betrieb unwahrscheinlicher. Diese beiden Effekte führen synergetisch zu einer verbesserten Laufruhe der Maschine bei ansonsten identischer Betriebsweise verglichen mit herkömmlichen Radialturbomaschinen .

Eine bevorzugt abwechselnde Folge von nach der Erfindung in einem speziellen Ausmaß größeren und kleineren Eintrittskantendurchmessern der Leitschaufeln des Diffusors kann auch als alternierender Eintrittskantendurchmesser bezeichnet werden. Ein derartiger alternierender Eintrittskantendurchmesser ist eine - aufgrund der Symmetrie - einfache, kostengünstige und damit bevorzugte Form, die Erfindung umzusetzen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die ersten Leitschaufeln und die zweiten Leitschaufeln eine identische Sehnenlänge aufweisen. Die Sehnenlänge ist in der Terminologie dieses Dokumentes der gerade Abstand zwischen der Eintrittskante und der Austrittskante eines Schaufelpro- filquerschnittes , bei nicht zylindrischen Schaufeln ist diese Größe ein Mittelwerte über die Schaufelhöhe bzw. über die verschiedenen Profilquerschnitte . Daneben ist es auch sinnvoll, wenn die ersten Leitschaufeln und die zweiten Leitschaufeln gleich ausgeführt sind oder identische Schaufelprofile aufweisen

Die Erfindung betrifft auch eine Radialturbomaschine mit ei ^¬ nem erfindungsgemäßen Diffusor, bei der die Laufradschaufeln eines stromaufwärts des Diffusors angeordneten Laufrades ei ^¬ nen Austrittskantendurchmesser aufweisen für den gilt:

DL1 = DI2 * DLI

und

1, 05 > DLI > 1, 3

mit

DLI: Durchmesser der Eintrittskanten LDE der ersten Leitschaufeln VN1,

DI2: Durchmesser der Austrittskanten der Laufradschaufeln IPB

DLI: Abstandsfaktor .

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Gesamtzahl aus ersten Leitschaufeln und zweiten Leit- schaufeln 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, oder 24 beträgt.

Diese Anzahlen haben sich bewährt, gefährliche Resonanzen zu vermeiden .

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be ^¬ schrieben. Es zeigen jeweils vereinfacht schematisch:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ra ^¬ dialturbomaschine mit einem erfindungsgemäßen Dif- fusor und

Figur 2 einen Querschnitt gemäß dem in Figur 1 mit II-II ausgewiesenen Schnitt. Figur 1 zeigt schematisch vereinfacht einen Längsschnitt ent ^¬ lang einer Achse X durch eine als Radialturboverdichter RTC ausgebildete Radialturbomaschine RTM. Figur 2 zeigt einen Querschnitt gemäß dem in Figur 1 mit II-II ausgewiesenen Schnitt .

Ein Prozessfluid PFL durchströmt ein Laufrad IMP, indem es in einen mit Laufschaufeln IPB ausgestatteten Strömungskanal axial eintritt und radial im Bereich eines Austrittskanten ^¬ durchmessers DI2 der Laufradschaufeln IPB aus dem Laufrad IMP austritt. Stromabwärts des Laufrades IMP befindet sich ein erfindungsgemäßer Diffusor DFR, der in einen spiralförmigen Sammler CRT mündet. Hier kann alternativ auch eine Rückführ- stufe folgen (mehrstufiger Einwellen-Radialverdichter) . Der Diffusor DFR weist über einen Umfang der Achse X verteilte Leitschaufeln VNS auf. Die Leitschaufeln VNS erstrecken sich jeweils von einer radial innen befindlichen Eintrittskante LDE bis zu einer radial weiter außen befindlichen Aus- trittskante TLE . Hierbei sind die Leitschaufeln VNS in zumin ^¬ dest zwei Gruppen aufgeteilt, in eine erste Gruppe der ersten Leitschaufeln VN1 und in eine zweite Gruppe der zweiten Leitschaufeln VN2. Die ersten Leitschaufeln VN1 weisen eine gegenüber der Eintrittskante LDE der zweiten Leitschaufeln VN2 um einen Radialabstand DRD radial weiter innen angeordnete Eintrittskante LDE auf. Im Einzelnen gilt:

DL2 = DL1 * (1 + DRM)

und

1 , 9 > Z * DRM > 0 , 6

mit

DL1 : Durchmesser der Eintrittskanten LDE der ersten

Leitschaufeln VN1,

DL2 : Durchmesser der Eintrittskanten LDE der zweiten Leitschaufeln VN2,

DRM: Differenzfaktor

Z: Anzahl der Leitschaufeln VNS. In Abhängigkeit von der Anzahl Z der Leitschaufeln VNS ist erfindungsgemäß ein Bereich für den radialen Abstand zwischen dem Durchmesser der Eintrittskante LDE der zweiten Leitschaufeln VN2 und dem Durchmesser der Eintrittskante LDE der ers- ten Leitschaufeln VNl festgelegt. Eine Ausbildung des Radialturboverdichters RDC mit einem erfindungsgemäß gestalteten Diffusor DFR führt zu einer verbesserten Laufruhe gegenüber herkömmlichen Radialturbomaschinen RTM. Die verbesserte Laufruhe realisiert sich in Laufradschwingungen mit geringerer Amplitude im Fall von unvermeidbaren Resonanzen und führt somit zu einer verbesserten Integrität des Laufrades und damit der Maschine.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders zum Tragen, wenn der erfindungsgemäße Diffusor DFR eine Anordnung der Leit ^¬ schaufeln VNS mit einer Schaufelsolidität BLS aufweist mit:

BLS = CDL / S < 0, 9 und

S = π * DM / Z

mit

BLS: Schaufel-Solidität

CDL: mittlere Sehnenlänge der Leitschaufeln (VNS)

DM: mittlerer Leitschaufeldurchmesser

Z: Schaufelzahl

S: Umfangskonstante .

Der mittlere Leitschaufeldurchmesser DM ist der Mittelwert über alle individuell mittleren Leitschaufeldurchmesser der Leitschaufeln VNS, wobei der mittlere Leitschaufeldurchmes ^¬ ser DM einer einzelnen Leitschaufel VNS bestimmt wird als der Mittelwert des Durchmessers der Eintrittskante LDE und des Durchmessers der Austrittskante TLE über die Schaufelhöhe.

Um die Anregung möglichst effizient zu erniedrigen ist es zweckmäßig, wenn die Anzahl Z der Leitschaufeln VNS gerade ist und in Umfangsrichtung CD abwechselnd jeweils eine Leit ^¬ schaufel VNl der ersten Gruppe und eine Leitschaufel VN2 der zweiten Gruppe angeordnet ist. Zweckmäßig ist eine Anwendung der Erfindung bei einem Radial turboverdichter RTC, wobei die Achse X im Wesentlichen identisch ist mit der Rotationsachse eines Rotors RTR. Der Ab ^¬ stand zwischen dem Durchmesser DI2 der Austrittskanten der Laufradschaufeln IPB des auf dem Rotor RTR angeordneten Lauf rades IMP und dem Durchmesser der Eintrittskanten LDE der ersten Leitschaufeln VN1 gestaltet sich am besten mit einem erfindungsgemäßen Abstandsfaktor DLI, wie folgt:

DLI = DI2 * DLI

und

1, 05 > DLI > 1,3

mit

DLI: Durchmesser der Eintrittskanten (LDE) der ers ten Leitschaufeln (VN1),

DI2: Durchmesser der Austrittskanten der Laufradschaufeln (IPB)

DLI: Abstandsfaktor .