DE102008025249A1

DE102008025249A1 - Sammelraum und Verfahren zur Fertigung

Info

Publication number: DE102008025249A1
Application number: DE102008025249A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Albrecht; Jan Weule
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-03
Also published as: US20110158796A1; WO2009149798A1; CN102105698A; CN102105698B; US8105025B2; WO2009144102A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen sich in Umfangsrichtung aufweitenden Sammelraum (2) einer Strömungsmaschine (Verdichter 1), bestehend aus zumindest einem äußeren Schalenteil (21) und einem Kontureinsatz (22), wobei der Kontureinsatz (22) mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (26), die bevorzugt als helikale Spirale ausgebildet ist, versehen ist. Der Kontureinsatz (22) ist erfindungsgemäß aus dem Vollen gefräst und ist an einem Ende in Umfangsrichtung von einer gebogenen Kante (33) begrenzt, so dass die Strömungsverluste beim Übergang von dem Sammelraum in einen nachfolgenden Diffusor (10) minimiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen sich in Umfangsrichtung aufweitenden Sammelraum einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Verdichters, der sich über zumindest einen Teil des Umfangs einer Maschinenachse erstreckt, welcher Sammelraum aus mindestens einem äußeren Schalenteil und einem Kontureinsatz gebildet ist, welcher Kontureinsatz eine aus dem vollen gefräste sich in Umfangsrichtung erstreckende zumindest einseitig seitlich begrenzte Nut aufweist, welcher Sammelraum eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung, die im Wesentlichen für axiale Strömungen ausgebildet ist, und mindestens eine Zweite Strömungsöffnung aufweist, die im Wesentlichen für radiale Strömungen ausgebildet ist, wobei die Nut ein in Umfangsrichtung erstes Ende und ein in Umfangsrichtung zweites Ende aufweist, wobei das in Umfangsrichtung zweite Ende des Sammelraums in die Zweite Strömungsöffnung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut am zweiten Ende in Umfangsrichtung von einer gebogenen Kante begrenzt ist.
Umfangsräume der vorstehenden Art werden in der Regel bei Strömungsmaschinen, beispielsweise Turbinen, Expander oder Kompressoren im Bereich der Zuströmung oder der Abströmung vorgesehen. Während der Bereich der rotierenden Strömungsleitkonturen, beispielsweise der Laufschaufeln oder des Laufrads strömungstechnisch weitestgehend optimiert sind, finden in den umliegenden Bereichen häufig noch unverhältnismäßig hohe Strömungsverluste statt. Um dem zu begegnen, wurde bereits die in der Regel erforderliche 90° Umlenkung im Bereich einer Zuströmung oder Abströmung nicht mehr als einfache radiale Einströmung in einen Ringraum ausgebildet, sondern als bevorzugt tangentiale Zuströmung zu einem sich in Umfangsrichtung verjüngenden Sammelraum, der auch als Spiraleinströmung oder Spiralabströmung bezeichnet wird, ausgebildet.
Einerseits bedingt durch die Größe und andererseits durch die nicht-rotationssymmetrische Form des Sammelraums sind die Voraussetzungen für eine spanende Bearbeitung dieses Bauteils ungünstig, so dass dieses Bauteil in der Regel als Gusskonstruktion gestaltet ist. Für diejenigen Baugrößen, bei denen das Vollmaterial für einen derartigen Sammelraum verfügbar ist, wurde dennoch eine Konstruktion zur spanabhebenden Herstellung vorgesehen, da die starke Abhängigkeit von Lieferanten für Gussteile einen großen wirtschaftlichen Nachteil darstellt. Derartige Konstruktionen sind in der Regel zweiteilig gestaltet, um Hinterschnitte bei der spanenden Bearbeitung zu vermeiden. Dementsprechend gibt es ein äußeres Schalenteil und einen inneren Kontureinsatz, der in das äußere Schalenteil eingesetzt wird und auf diese Weise einen von den beiden Bauteilen eingeschlossenen Sammelraum bildet. Dieser Sammelraum weist in der Regel eine sich in Umfangsrichtung erstreckende axiale erste Strömungsöffnung auf und eine Zweite Strömungsöffnung, die für radiale Strömungen ausgelegt ist.
Bei einem Zentrifugalverdichter gelangt das verdichtete Gas beispielsweise aus dem Laufrad in einen radial ausgerichteten Ringraum und anschließend in den Sammelraum regelmäßig nach einer 90° Umlenkung. Zur Vermeidung von Turbolenzen ist dieser Sammelraum mit sich entlang der Umfangsrichtung aufweitendem Querschnitt derart gestaltet, dass sich das Querschnittsmaximum im Bereich einer radialen Abströmung bzw. der zweiten Strömungsöffnung befindet, wo sich schließlich das gesamte abströmende oder zuströmende Fluid zu Durchströmung sammelt. An diese Zweite Strömungsöffnung schließt sich in nahezu allen Fällen ein Diffusor an, der das Prozessgas beispielsweise im Falle des Verdichters zu einer weiteren Verdichterstufe, einer Zwischenkühlung oder einem anderen Prozess zuleitet. Beim Austritt aus dem Sammelraum in den Diffusor finden bei der gefrästen Konstruktion äußerst nachteilige Strömungsverluste statt.
Ausgehend von der eingangs definierten Ausbildung eines Sammelraums liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sammelraum zu schaffen, der insbesondere im Bereich der zweiten Strömungsöffnung nur geringe Strömungsverluste aufweist und dennoch keine Gusskonstruktion ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sammelraum mit denen im Anspruch 1 angeführten Merkmalen gelöst. Daneben löst die Erfindung die Aufgabe mit dem Verfahren zur Fertigung einer Nut in einem Kontureinsatz gemäß Anspruch 7. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die gebogene Kontur der die Nut in Umfangsrichtung abschließenden Kante sorgt im Fall der Abströmung für eine vorteilhaftere Strömungsverteilung und Umlenkung des sich in Umfangsrichtung bewegenden Fluids aus dem Sammelraum in eine radiale Strömungsrichtung, beispielsweise eines sich anschließenden Rohres. Dies gilt für den Fall der Zuströmung mutatis mutandis.
Zweckmäßig kann die Kante derart gebogen sein, dass sie sich an eine Strömungskontur eines nachfolgenden Bauteils, beispielsweise eines Rohres, weitestgehend übergangslos anfügt. Eine vorteilhafte Weiterbildung in diesem Zusammenhang sieht vor, dass eine Radialprojektion der Kante rund ist.
Zur Minimierung der Strömungsverluste ist es zweckmäßig, wenn die Kante konkav ausgebildet ist.
Niedrige Strömungsverluste, insbesondere in Abhängigkeit von dem sich anschließenden strömungsführenden Bauteil, kann auch eine elliptische Kontur der Kante erbringen bzw. kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Projektion der Kante von elliptischer Kontur ist.
Gleichzeitig oder ausschließlich kann eine zum Nutgrund tangentiale Projektion der Kante rund elliptisch oder rund ausgebildet sein, um die Strömungsverluste zu minimieren.
Besonders zweckmäßig zur Minimierung der Strömungsverluste ist eine Biegung der Kante insbesondere im Bereich der Mitte der Nut.
Unter einer Biegung der Kante ist keineswegs eine nur fertigungstechnische Rundung gemeint, die sich nur in einem Fertigungsradius äußert sondern eine gezielte Einbringung der Rundung bevorzugt mittels eines Fräsers.
Besonders vorteilhaft kann der Strömungsverlauf gestaltet werden, wenn zumindest eine axiale Begrenzungskontur der den Sammelraum bildenden Nut oder einen in Umfangsrichtung verlaufende Kante der Nut als Helix ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die axiale Ausdehnung der Nut als Mittel zur Erweiterung in Umfangsrichtung genutzt werden, so dass trotz eines zunehmenden Volumenstroms zumindest keine Erhöhung der Geschwindigkeit in dem Sammelraum zur Abströmung hin bei einem Verdichter oder umgekehrt bei einer Turbine oder einem Expander erfolgt. Die Ausbildung einer Helix kann auch dazu genutzt werden, die Nut über mehr als 360° des Umfangs auszubilden und auf diese Weise die radiale Abströmung (bei einem Verdichter) oder Zuströmung von den Strömungseinflüssen der ersten Strömungsöffnung zu trennen, indem dieser Bereich axial neben dem schmalsten Bereich des Sammelraums angeordnet ist, sich also in Umfangsrichtung betrachtet mit diesem überschneidet.
Eine andere Möglichkeit, den Querschnitt der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut in Umfangsrichtung aufzuweiten, liegt in der Gestaltung des Nutgrundes der Nut als Spirale.
Zweckmäßig kann die Gestaltung als Helix und die Gestaltung als Spirale zu einer Spiralhelix überlagert werden, so dass die Vorteile beider Ausbildungen genutzt werden.
Vorteilhaft ist ein Sammelraum der erfindungsgemäßen Art nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt, bei dem mit dem Erreichen desjenigen Endes der Nut, welches gegenüber dem anderen einen größeren Querschnitt besitzt, eine Fräserachse, um den der Fräser rotiert, von einer radialeren Stellung in eine tangentialere Stellung verlagert wird. Auf diese Weise arbeitet sich der rotierende Umfang des Fräsers mit einer naturgemäßen Kreisform derart in das Vollmaterial des Kontureinsatzes ein, so dass die gewünschte gebogene Kante der Begrenzung der Nut in Umfangsrichtung erreicht wird. Hervorragende Ergebnisse wurden hinsichtlich der Minimierung des Strömungsverlustes erzielt, wenn der Fräser mit dem Erreichen des zweiten Endes der Nut mit einer tangential zu dem dortigen Nutgrund orientierten Fräserachse aus dem Kontureinsatz herausgeführt wird.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Verdeutlichung näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines einstufigen Verdichters mit einem erfindungsgemäßen Sammelraum,
2 einen erfindungsgemäßen Kontureinsatz in einer Seitenansicht,
3 einen erfindungsgemäßen Kontureinsatz in einer Seitenansicht und gegenüber demjenigen der 2 um 90° gedreht,
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontureinsatzes,
5 eine Stirnseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Kontureinsatzes und der Orientierung eines Schaftfräsers während einer erfindungsgemäßen Fertigung in verschiedenen Schritten.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil eines Verdichters 1 mit einem erfindungsgemäßen Sammelraum 2, der sich in Umfangsrichtung um eine Maschinenachse 3 erstreckt. Der Verdichter 1 weist einen Rotor 4 auf, an dessen einen dargestellten Ende ein Laufrad 5 (Verdichterstufe eines Zentrifugalverdichters) angebracht ist, der ein freies Ende der Welle des Rotors 4 bildet. Der Laufrad 5 wird durch eine Zuströmung 6 von einem Fluid 7 axial angeströmt und fördert das verdichtete Fluid radial nach außen in einen Ringraum 8. Nach einer weiteren 90°-Umlenkung 9 strömt das Fluid 7 aus dem Ringraum 8 in den Sammelraum 2 ein, sammelt sich dort und tritt in nicht gesondert dargestellter Weise in eine weiterführenden Diffusor 10 (in Umfangsrichtung versetzt dargstellt) ein.
Der Sammelraum 2 wird mittels eines äußeren Schalenteils 21 und eines Kontureinsatzes 22 gebildet. Die Ausnehmung in dem Schalenteil 21, in welches der Kontureinsatz 22 eingesetzt wird, ist eine zylindrische Bohrung. Der Kontureinsatz 22 ist derart in das Schalenteil 21 eingepasst, dass axial stirnseitig des Kontureinsatzes 22 ein eingeschlossener Raum, der den Ringraum 8 bildet, verbleibt.
Die in 1 dargestellte Variante des Kontureinsatzes 22 unterscheidet sich von demjenigen, der in 2 bis 5 dargestellt ist dadurch, dass sie nicht einteilig ausgeführt ist, sondern stirnseitig abschließend eine Diffusorscheibe 11 vorgesehen ist, welche mittels Würgeschrauben an dem Kontureinsatz 22 befestigt ist.
Der in 2 dargestellte Kontureinsatz 22 ist im Grundkörper 23 zylindrisch ausgebildet, wobei ein Absatz 24 mit einer Ausnehmung 25 am Schalenteil 21 derart korrespondiert, dass eine axiale Anlage für eine exakte Axialausrichtung unter Einschluss eines Raumes für den Ringraum 8 sorgt. Der Kontureinsatz 22 ist mit einer umlaufenden Nut 26 versehen. Ein Nutgrund 27, der die Nut 26 nach radial innen begrenzt, ist in stirnseitiger Ansicht, also betrachtet in Richtung der Maschinenachse, spiralförmig ausgebildet, so dass sich die Nut 26 in ihrer Tiefe beginnend von einem ersten Ende 28 hin zu einem zweiten Ende 29 im Querschnitt erweitert.
Wie in 1 dargestellt, weist der Sammelraum 2 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung 30 auf, in die das Fluid 7 nach der 90°-Umlenkung 9 im Wesentlichen axial einströmt. Eine Zweite Strömungsöffnung 31 für eine radiale Strömungsrichtung ist die Einmündung in den Diffusor 10. Die Zweite Strömungsöffnung 31 befindet sich an dem zweiten Ende 29 des Sammelraums 2 bzw. der Nut 26.
Wie auch in 4 und 3 deutlich zu erkennen, ist eine axiale Begrenzungskontur 32 der Nut 26, die eingangs des Kontureinsatzes 22 als sich in Umfangsrichtung erstreckender Absatz ausgebildet ist, als Helix gestaltet, so dass die Nut 26 bzw. der Nutgrund 27 eine helikale Spirale bildet. Die Nut 26 ist, wie in 3 und 4 deutlich erkennbar, an dem zweiten Ende 29 von einer gebogenen Kante 33 in Umfangsrichtung begrenzt. In einer Radialprojektion hat die gebogene Kante 33 eine runde Form.
5 zeigt, wie nach dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren die gebogene Kante 33 mittels eines um eine Fräserachse 35 rotierenden Fräsers 36 erzeugt wird. Eingangs der in Umfangsrichtung sich erstreckenden Nut 26 taucht der Fräser 36 mit radial zur Maschinenachse 3 ausgerichteten Fräserachse 35 in den Kontureinsatz 22 ein (z. B. Fräserposition 40). Dem Umlauf der zu fertigenden Nut 26 folgend verbleibt der Fräser 36 in der Radialausrichtung der Fräserachse 35, bis zu einer bestimmten Umfangsposition in der Nähe des zweiten Endes 29 der Nut 26. An dieser Stelle beginnt unter weiteren Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen dem Kontureinsatz 22 und dem Fräser 36 die Fräserachse 35 von einer radialeren Ausrichtung zu einer tangentialeren Ausrichtung zu kippen, bis die Fräserachse 35 zu dem lokalen Nutgrund 27 parallel ausgerichtet ist, wobei sich der Fräser 36 nicht mehr weiter in Richtung der Maschinenachse 3 des Kontureinsatzes 22 in das zu fräsende Material senkt, sondern vielmehr geradlinig bzw. parallel zu der lokalen Tangente aus dem Werkstück mit zu dieser Tangente parallelen Fräserachse herausgeführt wird, so dass sich die runde Fräskontur als gebogene Kante 33 am zweiten Ende 29 der Nut 26 abbildet. In der 5 zeigen die Fräserpositionen 40, 41, 42, 43 die Veränderung der Fräserachse 35 mit fortschreitender Relativbewegung in Umfangsrichtung.

Claims

Sich in Umfangsrichtung aufweitender Sammelraum (2) einer Strömungsmaschine (Verdichter 1), der sich über zumindest einen Teil des Umfangs einer Maschinenachse (3) erstreckt, welcher Sammelraum (2) aus mindestens einem äußeren Schalenteil (21) und einem Kontureinsatz (22) gebildet ist, welcher Kontureinsatz (22) eine aus dem vollen gefräste sich in Umfangsrichtung erstreckende zumindest einseitig seitlich begrenzte Nut (26) aufweist, welcher Sammelraum (2) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung (30), die im Wesentlichen für axiale Strömungen ausgebildet ist, und mindestens eine Zweite Strömungsöffnung (31) aufweist, die im Wesentlichen für radiale Strömungen ausgebildet ist, wobei die Nut (26) ein in Umfangsrichtung erstes Ende (28) und ein in Umfangsrichtung zweites Ende (29) aufweist, wobei das in Umfangsrichtung zweite Ende (29) des Sammelraums (2) in die Zweite Strömungsöffnung (31) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (26) am zweiten Ende (29) in Umfangsrichtung von einer gebogenen Kante (33) begrenzt ist.
Sammelraum (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (33) konkav ausgebildet ist.
Sammelraum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (33) elliptisch ausgebildet ist.
Sammelraum nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Nutgrund (27) tangentiale Projektion der Kante (33) rund ausgebildet ist.
Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine axiale Begrenzungskontur (32) der den Sammelraum (2) bildenden Nut (26) oder eine in Umfangsrichtung verlaufende Kante (33) der Nut (26) als Helix ausgebildet ist.
Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Nutgrund (27) der Nut (26) spiralförmig ausgebildet ist.
Verfahren zur Fertigung einer Nut (26) in einem Kontureinsatz (22), welcher gemeinsam mit einem äußeren Schalenteil (21) einen sich zumindest über einen Teil eines Umfangs einer Maschinenachse (3) erstreckenden Sammelraum (2) für eine Strömungsmaschine (Verdichter 1) bildet, bei dem die Nut (26) mittels eines um eine Fräserachse (35) rotierenden Fräsers (36) in den Kontureinsatz (22) gefräst wird, wobei der Fräser (36) die Nut (26) von einem ersten Ende (28) des Sammelraums (2) bis zu einem zweiten Ende (29) des Sammelraums (2) fräst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräserachse (35) mit fortschreitender Annäherung an das zweite Ende (29) von einer radialeren Ausrichtung zu einer tangentialeren Ausrichtung geneigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Fräser (36) mit dem Erreichen des zweiten Endes (29) der Nut (26) mit einer tangential zu dem dortigen Nutgrund (27) orientierten Fräserachse (35) aus dem Kontureinsatz (22) herausgeführt wird.