DE102016203305A1

DE102016203305A1 - Rückführstufe, Radialturbofluidenergiemaschine

Info

Publication number: DE102016203305A1
Application number: DE102016203305.0A
Authority: DE
Inventors: Viktor Hermes
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-07
Also published as: US10422346B2; EP3390832A1; US20190055960A1; EP3390832B1; WO2017148971A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe (BFS) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RTFEM), insbesondere eines Radialturboverdichters (RTC), zur Umlenkung einer Strömungsrichtung (FD) eines aus einem sich um eine Achse (X) rotierenden Rotor (R) austretenden Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen, umfassend einen Rückführkanal (BFC), der drei in Strömungsrichtung benachbarte Abschnitte (S1, S2, S3) aufweist, wobei ein erster Abschnitt (S1) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial außen ausgebildet ist, wobei ein zweiter Abschnitt (S2) zur Umlenkung des Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein dritter Abschnitt (S3) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial innen ausgebildet ist, wobei der zweite Abschnitt (S2) und der dritte Abschnitt (S3) oder nur der dritte Abschnitt (S3) erste Leitschaufeln (L1) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren. Zur Effizienzverbesserung wird vorgeschlagen, dass der zweite Abschnitt (S2) und der dritte Abschnitt (S3) oder nur der dritte Abschnitt (S3) gegenüber Eintrittskanten (L1LE) der ersten Leitschaufeln (L1) mit Eintrittskanten (L2LE) stromabwärts versetzte zweite Leitschaufeln (L2) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren, wobei die zweiten Leitschaufeln (L2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass in einer radial sich erstreckenden Ebene im Bereich der Axialerstreckung des dritten Abschnitts (S3) eine Verbindungslinie (CLTE) durch zwei Austrittskanten (L1TE) benachbarter erster Leitschaufeln (L1) von einem radialen Strahl (RS) durch die Eintrittskante (L1LE) einer in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (L1) angeordneten zweiten Leitschaufel (L2) nicht mittig geteilt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe einer Radialturbofluidenergiemaschine, insbesondere eines Radialturboverdichters, zur Umlenkung einer Strömungsrichtung eines aus einem sich um eine Achse rotierenden Rotor austretenden Prozessfluids von radial außen nach radial innen, umfassend einen Rückführkanal, der drei in Strömungsrichtung benachbarte Abschnitte aufweist, wobei ein erster Abschnitt zur Leitung des Prozessfluids nach radial außen ausgebildet ist, wobei ein zweiter Abschnitt zur Umlenkung des Prozessfluids von radial außen nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein dritter Abschnitt zur Leitung des Prozessfluids nach radial innen ausgebildet ist, wobei der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt oder nur der dritte Abschnitt erste Leitschaufeln aufweist, die Strömungskanäle des Rückführkanals in Umfangsrichtung zueinander definieren.
In einem Radialverdichter (siehe 1) verlässt das zu komprimierende Fluid ein um eine Achse rotierendes Laufrad in radialer Richtung mit einer signifikanten Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung (Drall). Die in Strömungsrichtung nachfolgenden statischen aerodynamisch wirksamen Komponenten haben die Aufgabe, die im Laufrad zugeführte kinetische Energie in Druck umzusetzen. Bei einem mehrstufigen Einwellenverdichter, wie beispielsweise aus der JP000244516 bekannt, muss das Fluid zudem zum nachfolgenden Laufrad geleitet werden. Weiterhin ist der Strömung der Drall zu entziehen, so dass das nachfolgende Laufrad weitestgehend drallfrei angeströmt wird. Diese Aufgabe wird durch eine sogenannte Rückführstufe, umfassend einen ersten Abschnitt, der das Prozessfluid nach radial außen führt, einen zweiten Abschnitt der im Wesentlichen einem 180°-Bogen entspricht und einem dritten Abschnitt zur Leitung des Prozessfluids nach radial innen zum Eintritt in das stromabwärtig nachfolgende Laufrad. Der dritte Abschnitt umfasst auch eine Umlenkung des Prozessfluids aus der radial nach innen gerichteten Strömung in die Axialrichtung zum Laufradeintritt des stromabwärtigen Laufrads hin. Die Rückführbeschaufelung kann dabei aus in Umfangsrichtung aufgereihten Einzelschaufeln bestehen, wie es aus der JP 11173299-A bekannt ist.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist wenig kompakt – also verhältnismäßig raumgreifend – und die Durchströmung ist verhältnismäßig verlustbehaftet.
Ausgehend von dem Problem und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Rückführstufe der eingangs definierten Art derart weiterzubilden, dass eine weniger raumgreifende Rückführstufe eine weniger verlustbehaftete Strömung erzeugt.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Rückführstufe der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Weiterhin schlägt die Erfindung eine radiale Turbofluidenergiemaschine mit einer derartigen Rückführstufe vor.
Im technischen Sprachgebrauch ist es auch üblich, nur die Kombination aus dem zweiten Abschnitt mit dem dritten Abschnitt als Rückführstufe zu bezeichnen und den ersten Abschnitt als einen in Strömungsrichtung davor befindlichen Diffusor zu definieren. Die Terminologie dieses Dokumentes bezeichnet die drei hintereinander angeordneten Abschnitte (S1, S2, S3; siehe Figuren) als Rückführstufe. Hierbei ist zu beachten, dass der erste Abschnitt im Rahmen der Erfindung frei gestaltet werden kann, so dass der erste Abschnitt mit oder ohne Schaufeln, im Meriodinalschnitt in Strömungsrichtung zum Beispiel sich aufweitend, konstant oder sich verjüngend ausgebildet sein kann.
Im Zusammenhang mit der Erfindung sind geometrische Ausdrücke, wie axial, tangential, radial oder Umfangsrichtung stets auf eine Rotationsachse eines Laufrades einer Radialturbofluidenergiemaschine bezogen, falls im unmittelbaren Zusammenhang nichts anderes angegeben ist. Die erfindungsgemäße Rückführstufe hat einen eindeutigen Zusammenhang zu einem derartigen Laufrad, da die Rückführstufe sich stromabwärts des Laufradaustritts bei einem Radialturboverdichter in Umfangsrichtung um das Laufrad herum erstreckt. In der Regel ist die Rückführstufe zumindest hinsichtlich der aerodynamisch relevanten Aspekte der Erfindung rotationssymmetrisch zu der Achse ausgebildet.
Die Rückführstufe nach der Erfindung ist in Folge der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten ersten Leitschaufel und zweiten Leitschaufel weniger raumgreifend als eine Rückführstufe, die nicht die beiden Leitschaufelstufen hintereinander aufweist. Eine Ausrichtung der Strömung auf den Eintritt in das stromabwärts nachfolgende Laufrad ist mittels der gestuften Leitschaufelausführung aerodynamisch effizienter.
Die erfindungsgemäß in Umfangsrichtung versetzte zweite Leitschaufelstufe bzw. die Anordnung der zweiten Leitschaufeln in Umfangsrichtung asymmetrisch zu den Austrittskanten der ersten Leitschaufeln führt zu einer Verringerung der aerodynamischen Verluste des Prozessfluids bei der Durchströmung der Rückführstufe.
Die Neuausrichtung und Umlenkung des Prozessfluids stromabwärts des Austritts aus einem Laufrad hin zu dem Eintritt des stromabwärts nachfolgenden Laufrades ist nach der Erfindung besonders verlustarm und wenig raumgreifend. Die Bogenlänge, die in Umfangsrichtung den Abstand zwischen den zwei Austrittskanten benachbarter erster Leitschaufeln charakterisiert, wird von dem radialen Strahl durch die Eintrittskante der in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Schaufeln angeordneten zweiten Leitschaufeln in einem druckseitigen Abschnitt und einem saugseitigen Abschnitt geteilt.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweiten Leitschaufeln derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die stromabwärts zwischen den beiden ersten Leitschaufeln angeordnete zweite Leitschaufel in Umfangsrichtung näher an der Saugseite der benachbarten ersten Leitschaufel angeordnet ist als an der Druckseite der anderen benachbarten ersten Leitschaufel.
Es hat sich gezeigt, dass die Aufteilung der Bogenlänge, die in Umfangsrichtung den Abstand zwischen den zwei Austrittskanten benachbarter erster Leitschaufeln charakterisiert, besonders vorteilhaft ist, wenn das Verhältnis des saugseitigen Abschnitts zu der gesamten Bogenlänge zwischen 0,2–0,4 liegt. Dieser charakteristische Versatz hin zu der Saugseite einer ersten Leitschaufel, die in Umfangsrichtung den Strömungskanal definiert, führt zu einer turbolenzfreien und weniger ablösungsbehafteten Durchströmung, die besonders verlustarm ist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch den Strömungskanal einer Radialturbofluidenergiemaschine am Beispiel eines Einwellenverdichters,
2 ein Detail der 1, das in 1 mit II-II ausgewiesen ist,
3 einen Schnitt durch einen dritten Abschnitt der Rückführstufe gemäß dem in 2 mit III-III ausgewiesenen Schnitt in einer Radialebene an der axialen Position des dritten Abschnitts.
1 zeigt eine schematische Wiedergabe eines Längsschnitts einer Radialturbofluidenergiemaschine RTFEM in dem Ausschnitt eines Strömungskanals für ein Prozessfluid PF. Der Ausschnitt zeigt fünf Laufräder IMP, die als Bestandteil eines Rotors R im Betrieb um eine Achse X rotieren. Auf diese Achse X sind sämtliche Angaben dieser Beschreibung, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung bezogen. Die Laufräder IMP saugen das Prozessfluid PF jeweils im Wesentlichen axial an und befördern dieses beschleunigt nach radial außen. Nach dem Austritt aus dem Laufrad IMP gelangt das Prozessfluid PF in eine Rückführstufe BFS umfassend einen Rückführkanal BFC.
Die 2 zeigt die Rückführstufe BFS bzw. den Rückführkanal BFC im Detail. Das Prozessfluid PF gelangt aus dem Laufrad IMP in einen ersten Abschnitt S1 des Rückführkanals, der zur Leitung des Prozessfluids PF nach radial außen ausgebildet ist. In dem stromabwärts befindlichen zweiten Abschnitt S2 wird das Prozessfluid PF von einer Strömungsrichtung nach radial außen in eine Strömungsrichtung FD nach radial innen umgelenkt. In dem darauf folgenden Abschnitt S3 wird das Prozessfluid PF nach radial innen geführt und anschließend den nachfolgenden Laufrad IMP axial zugeleitet. Die Umlenkung des Prozessfluids PF in dem zweiten Abschnitt S2 geschieht im Wesentlichen in Form eines 180° Bogens. Die Umlenkung von einer radial nach innen weisenden Strömungsrichtung FD im dritten Abschnitt S3 in die axiale Strömungsrichtung FD erfolgt im Wesentlichen in einem 90° Bogen.
In dem Abschnitt S2 und dem dritten Abschnitt S3 oder nur in dem dritten Abschnitt S3 sind erste Leitschaufeln L1 und zweite Leitschaufeln L2 angeordnet. Die ersten Leitschaufeln haben eine Eintrittskante L1LE und eine Austrittskante L1TE. Die zweiten Leitschaufeln L2 haben eine Eintrittskante L2LE und eine Austrittskante L2TE. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Eintrittskante L2LE der zweiten Leitschaufel L2 in einem Radialabschnitt RAD stromabwärts und auf einem kleineren Radius als die Austrittskanten L1TE der ersten Leitschaufeln L1 – diese Anordnung ist nach der Erfindung bevorzugt. Dem Umfang der Erfindung sind ebenfalls Ausführungsformen zuzurechnen, bei denen dieser Radialabschnitt RAD null ist oder die Eintrittskanten L2LE sich in dem Radialbereich der ersten Leitschaufeln L1 befinden. Die Leitschaufeln L1, L2, ein Strömungskanal FC in Umfangsrichtung zwischen zwei ersten Leitschaufeln L1 ist jeweils durch eine druckseitig PSL1 einer ersten Leitschaufel L1 und eine Saugseite SSL1 einer anderen ersten Leitschaufel L1 definiert. In einer radial sich erstreckenden Ebene (Zeichnungsebene der 3) im Bereich der Axialerstreckung des dritten Abschnitts S3 kann stets eine Verbindungslinie CLTE durch zwei Austrittskanten L1TE benachbarter erster Leitschaufeln L1 angegeben werden. Diese Verbindungslinie CLTE erstreckt sich mit einem Krümmungsradius, der dem Abstandsradius zu der Achse X entspricht. Eine Bogenlänge BLD dieser Verbindungslinie CLTE zwischen den zwei Austrittskanten L1TE der benachbarten ersten Leitschaufeln L1 wird von einem radialen Strahl RS durch die Eintrittskante L2LE der in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln L1 angeordneten zweiten Leitschaufel nicht mittig geteilt. Ein erster Teilabschnitt dieser Verbindungslinie CLTE befindet sich zwischen der Eintrittskante L2LE der zweiten Leitschaufel L2 und der Austrittskante L1TE der ersten Leitschaufel L1, die den betreffenden Strömungskanal FC mit ihrer Saugseite SSB1 begrenzt. Dieser saugseitige Abschnitt SSD ist kleiner als der entsprechende benachbarte druckseitige Abschnitt PSD. Das Verhältnis des saugseitigen Abschnitts SSD zu den gesamten Bogenlänge BLD der Verbindungslinie CLTE zwischen den beiden Austrittskanten L1TE der ersten Leitschaufeln L1 beträgt zwischen 0,2–0,4. Diese Art der ungleichen Aufteilung des Strömungskanals FC zwischen den beiden ersten Leitschaufeln L1 mittels der nachfolgenden Leitschaufel L2 führt zu einer besonders vorteilhaften verlustarmen Durchströmung des dritten Abschnitts S3.
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

JP 000244516 [0002]
JP 11173299 A [0002]

Claims

Rückführstufe (BFS) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RTFEM), insbesondere eines Radialturboverdichters (RTC), zur Umlenkung einer Strömungsrichtung (FD) eines aus einem sich um eine Achse (X) rotierenden Rotor (R) austretenden Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen, umfassend einen Rückführkanal (BFC), der drei in Strömungsrichtung benachbarte Abschnitte (S1, S2, S3) aufweist, wobei ein erster Abschnitt (S1) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial außen ausgebildet ist, wobei ein zweiter Abschnitt (S2) zur Umlenkung des Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein dritter Abschnitt (S3) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial innen ausgebildet ist, wobei der zweite Abschnitt (S2) und der dritte Abschnitt (S3) oder nur der dritte Abschnitt (S3) erste Leitschaufeln (L1) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (S2) und der dritte Abschnitt (S3) oder nur der dritte Abschnitt (S3) gegenüber Eintrittskanten (L1LE) der ersten Leitschaufeln (L1) mit Eintrittskanten (L2LE) stromabwärts versetzte zweite Leitschaufeln (L2) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren, wobei die zweiten Leitschaufeln (L2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass in einer radial sich erstreckenden Ebene im Bereich der Axialerstreckung des dritten Abschnitts (S3) eine Verbindungslinie (CLTE) durch zwei Austrittskanten (L1TE) benachbarter erster Leitschaufeln (L1) von einem radialen Strahl (RS) durch die Eintrittskante (L1LE) einer in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (L1) angeordneten zweiten Leitschaufel (L2) nicht mittig geteilt wird.
Rückführstufe (BFS) nach Anspruch 1, wobei genau eine zweite Leitschaufel (L2) stromabwärts in Umfangsrichtung (CD) zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (L1) angeordnet ist.
Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die ersten Leitschaufeln (L1) jeweils eine konkave Druckseite (PSL1) und eine konvexe Saugseite (SSL1) aufweisen und jeder Strömungskanal (FC) im Bereich der ersten Leitschaufeln (L1) von einer Druckseite (PSL1) einer ersten Leitschaufel (L1) und einer Saugseite (SSL1) einer anderen benachbarten ersten Leitschaufel (L1) definiert ist, wobei die stromabwärts zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (L1) angeordnete zweite Leitschaufel (L2) in Umfangsrichtung (CD) näher an der Saugseite (SSL1) der anderen benachbarten ersten Leitschaufel (L1) angeordnet ist.
Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Bogenlänge in Umfangsrichtung des Abstandes (BLD) zwischen den zwei Austrittskanten (L1TE) benachbarter erster Leitschaufeln (L1) von dem radialen Strahl (RS) durch die Eintrittskante (L1LE) der in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (L1) angeordneten zweiten Leitschaufel (L2) in einen druckseitigen Abschnitt (PSD) und einen saugseitigen Abschnitt (SSD) geteilt wird, wobei gilt: 0,2 < SSD/BLD < 0,4.
Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Leitschaufeln (L1) und die zweiten Leitschaufeln (L2) fest und unbeweglich mit einem Stator (STAT) verbunden sind.
Radialturbofluidenergiemaschine (RTFEM) mit einer Rückführstufe (BFS) mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3.