DE102012203105B3 - Turbo compressor - Google Patents

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Abstract

Turboverdichter (1, 11), der zur Förderung eines Mehrphasengemisches geeignet ist, mit einem eine Leiteinrichtung (3) aufweisenden Gehäuse (2) und einer Welle (4) mit wenigstens einem Laufrad (5), wobei der Turboverdichter (1, 11) an der Saugseite (6) eine von dem Mehrphasengemisch durchströmbare Expansionskammer (7, 12) und eine stromabwärts angeordnete Kontraktionskammer (9, 13) aufweist.Turbo compressor (1, 11), which is suitable for conveying a multiphase mixture, with a housing (2) having a guide (3) and a shaft (4) with at least one impeller (5), the turbo-compressor (1, 11) the suction side (6) has an expansion chamber (7, 12) through which the multiphase mixture can flow and a contraction chamber (9, 13) arranged downstream.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter, der zur Förderung eines Mehrphasengemisches geeignet ist, mit einem eine Leiteinrichtung aufweisenden Gehäuse und einer Welle mit wenigstens einem Laufrad.The invention relates to a turbocompressor, which is suitable for conveying a multi-phase mixture, with a housing having a guide and a shaft with at least one impeller.

Turboverdichter, die auch als Turbokompressor bezeichnet werden, werden zum Fördern eines Fluids durch Übertragung kinetischer Energie in Form eines Drehimpulses eingesetzt. Ein gefördertes Gas wird dabei in einem Verdichter komprimiert. Eine typische Anwendung ist die Förderung von Erdgas, allerdings kann dabei das Problem auftreten, dass das geförderte Erdgas eine Gasphase und eine Flüssigkeitsphase aufweist. Übliche Turboverdichter sind allerdings nicht für die Förderung von Flüssigkeitstropfen geeignet, da diese zu Erosion im Gehäuse des Turboverdichters oder an Laufrädern führen können.Turbo compressors, also referred to as turbocompressors, are used to convey a fluid by transmitting kinetic energy in the form of angular momentum. A transported gas is compressed in a compressor. A typical application is the extraction of natural gas, however, the problem may arise that the natural gas produced has a gas phase and a liquid phase. However, conventional turbocompressors are not suitable for the promotion of liquid droplets, as they can lead to erosion in the housing of the turbocompressor or on wheels.

Um dieses Problem zu vermeiden, ist bereits vorgeschlagen worden, einen auf Zentrifugalabscheidung basierenden Separator in den Turboverdichter zu integrieren. Allerdings ist der Bauaufwand für einen zusätzlichen Separator vergleichsweise hoch. Außerdem wurde festgestellt, dass auch beim Einsatz eines Separators kurzzeitig sogenannte Slugs (Flüssigkeitspfropfen) durchschlagen, so dass der Turboverdichter zumindest kurzzeitig ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit fördern muss. Die geförderte Flüssigkeit kann sowohl Wasser als auch Öl umfassen.In order to avoid this problem, it has already been proposed to integrate a separator based on centrifugal separation into the turbocompressor. However, the construction cost of an additional separator is comparatively high. In addition, it was found that so-called slugs (liquid clogging) penetrate for a short time even when using a separator, so that the turbocompressor must at least temporarily convey a mixture of gas and liquid. The pumped liquid may include both water and oil.

Aus der DE 10 2005 003 037 A1 ist eine Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitspartikeln aus einem gasförmigen Medium bekannt. Aus der DE 41 19 794 A1 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von in der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine enthaltenen Ölbestandteilen bekannt. Aus der DE 195 15 352 A1 ist eine Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus einem Abgasstrom bekannt.From the DE 10 2005 003 037 A1 For example, a separation device for separating liquid particles from a gaseous medium is known. From the DE 41 19 794 A1 a device for separating contained in the intake air of an internal combustion engine oil components is known. From the DE 195 15 352 A1 For example, a device for separating particles from an exhaust gas flow is known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turboverdichter anzugeben, der für die Förderung von in einem Gas enthaltenen Flüssigkeitstropfen geeignet ist.The invention is therefore based on the object to provide a turbocompressor, which is suitable for the promotion of liquid drops contained in a gas.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Turboverdichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass er an der Saugseite eine von dem Mehrphasengemisch durchströmbare Expansionskammer und eine stromabwärts angeordnete Kontraktionskammer aufweist.To achieve this object, it is provided according to the invention in a turbocompressor of the type mentioned that it has on the suction side of an expansion chamber through which the multiphase mixture can flow and a contraction chamber arranged downstream.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mittels der im Ansaugbereich angeordneten Expansionskammer und der zugehörigen Kontraktionskammer eine Homogenisierung des Mehrphasengemisches bewirkt werden kann, bei der sich feine Tröpfchen der flüssigen Phase bilden, die von dem Turboverdichter gefördert werden können. In der Expansionskammer findet eine plötzliche Expansion statt, beim Passieren der nachfolgenden Kontraktionskammer bilden sich die feinen Tröpfchen, die eine Förderung erlauben. Auf diese Weise kann der zulässige Anteil der flüssigen Phase erhöht werden.The invention is based on the recognition that homogenization of the multiphase mixture can be effected by means of the expansion chamber arranged in the intake region and the associated contraction chamber, in which form fine droplets of the liquid phase, which can be conveyed by the turbo compressor. In the expansion chamber, a sudden expansion takes place, when passing the subsequent contraction chamber form the fine droplets that allow a promotion. In this way, the allowable proportion of the liquid phase can be increased.

Bei dem erfindungsgemäßen Turboverdichter wird es bevorzugt, dass die Expansionskammer und die Kontraktionskammer vor einem Ansaugstutzen des Turboverdichters angeordnet sind. Die beiden Kammern können somit als separate Vorrichtung ausgebildet sein, die an der Saugseite eines Turboverdichters angeordnet oder angebracht ist. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Expansionskammer und die Kontraktionskammer in einem Ansaugstutzen des Turboverdichters angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung sind die beiden Kammern in den Turboverdichter, nämlich in den Ansaugstutzen des Turboverdichters, integriert, dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise.In the turbocompressor according to the invention, it is preferred that the expansion chamber and the contraction chamber are arranged in front of an intake port of the turbocompressor. The two chambers can thus be formed as a separate device, which is arranged or mounted on the suction side of a turbocompressor. Alternatively, however, it may also be provided that the expansion chamber and the contraction chamber are arranged in an intake pipe of the turbocompressor. In this embodiment, the two chambers in the turbocompressor, namely in the intake of the turbocompressor, integrated, this results in a particularly compact design.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Turboverdichters kann erzielt werden, wenn die Expansionskammer einen sich in Strömungsrichtung konusförmig vergrößernden Abschnitt aufweist. Diese geometrische Ausgestaltung bewirkt eine Verringerung von Reibungsverlusten. In ähnlicher Weise kann es bei dem erfindungsgemäßen Turboverdichter vorgesehen sein, dass die Kontraktionskammer einen sich in Strömungsrichtung konusförmig verjüngenden Abschnitt aufweist. Auch durch diese Maßnahme werden Strömungsverluste verringert. Insbesondere kann die Kontraktionskammer als Venturidüse ausgebildet sein, in der eine Druckerhöhung durch Verringerung des Volumens stattfindet.A further improvement of the turbocompressor according to the invention can be achieved if the expansion chamber has a conically enlarging section in the flow direction. This geometric design causes a reduction of friction losses. Similarly, it may be provided in the turbocompressor according to the invention that the contraction chamber has a conically tapering in the flow direction section. Also by this measure flow losses are reduced. In particular, the contraction chamber may be formed as a venturi, in which an increase in pressure takes place by reducing the volume.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.The invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the drawings.

Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:The drawings are schematic representations and show:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters; und 1 a first embodiment of a turbocompressor according to the invention; and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turboverdichters. 2 A second embodiment of a turbocompressor according to the invention.

Der in 1 gezeigte Turboverdichter 1 umfasst ein schematisch dargestelltes Gehäuse 2, das eine Leiteinrichtung 3 aufweist sowie eine Welle 4 mit einem Laufrad 5. Die Welle 4 weist mehrere axial hintereinander angeordnete Laufräder auf, aus Gründen der Übersichtlichkeit ist lediglich ein Laufrad 5 gezeigt.The in 1 shown turbocompressor 1 includes a schematically illustrated housing 2 that a guiding device 3 has as well as a wave 4 with an impeller 5 , The wave 4 has several axially successively arranged wheels, for reasons of clarity is only an impeller 5 shown.

Wenn mit dem Turboverdichter 1 Mehrphasengemische gefördert werden, die sowohl eine Gasphase als auch eine Flüssigkeitsphase enthalten, tritt der Fall auf, dass trotz eines vorgeschalteten Separators Flüssigkeitspfropfen angesaugt werden, die eine nachteilige Wirkung auf Komponenten des Turboverdichters 1 haben. Daher weist der Turboverdichter 1 an der Saugseite 6 eine Expansionskammer 7 auf, die einen größeren Querschnitt als eine in sie mündende Rohrleitung 8 aufweist. Wenn das geförderte Medium über die Rohrleitung 8 in die Expansionskammer 7 einströmt, findet eine Expansion statt. An die Expansionskammer 7 schließt sich eine Kontraktionskammer 9 an, die einen geringeren Querschnitt als die Expansionskammer 7 aufweist. Dementsprechend wird das in Richtung des Pfeils 10 strömende Fluid in der Kontraktionskammer 9 wieder komprimiert.If with the turbo compressor 1 Promotes multi-phase mixtures containing both a gas phase and a liquid phase, it is the case that, despite an upstream separator liquid slugs are sucked in, which has a detrimental effect on components of the turbocompressor 1 to have. Therefore, the turbo compressor points 1 on the suction side 6 an expansion chamber 7 which has a larger cross section than a pipeline opening into it 8th having. When the pumped medium through the pipeline 8th in the expansion chamber 7 flows in, an expansion takes place. To the expansion chamber 7 closes a contraction chamber 9 on, which has a smaller cross-section than the expansion chamber 7 having. Accordingly, that will be in the direction of the arrow 10 flowing fluid in the contraction chamber 9 compressed again.

Durch die in der Expansionskammer 7 plötzlich auftretende Expansion und die in der strömungsabwärts angeordneten Kontraktionskammer 9 auftretende plötzliche Einschnürung der Strömung bilden sich feine Tröpfchen. Auf diese Weise werden gegebenenfalls in dem Mehrphasengemisch enthaltene inhomogen verteilte Flüssigkeitspfropfen homogenisiert, das heißt, die Tröpfchengröße wird verringert und es bilden sich gleichmäßig verteilte Tröpfchen. Die gleichmäßig verteilten Tröpfchen in dem Gas-Flüssigkeits-Gemisch können ohne Weiteres den Verdichter passieren, ohne dass Erosion auftritt. Dementsprechend kann ein höherer Flüssigkeitsanteil bei einem Mehrphasengemisch, das im Wesentlichen in gasförmiger Form vorliegt, zugelassen werden, was unter anderem für den Einsatz unter Wasser erforderlich ist. Vor dem Turboverdichter 1 kann ein in-line-Separator angeordnet sein. Versuche haben ergeben, dass durch die Kombination der Expansionskammer mit der Kontraktionskammer ein Tröpfchenanteil von wenigstens 70% der flüssigen Phase erzielt werden kann.Through the in the expansion chamber 7 sudden expansion and in the downstream arranged contraction chamber 9 occurring sudden constriction of the flow form fine droplets. In this way, any inhomogeneously distributed liquid droplets contained in the multiphase mixture are homogenized, that is, the droplet size is reduced and uniformly distributed droplets are formed. The evenly distributed droplets in the gas-liquid mixture can readily pass through the compressor without erosion occurring. Accordingly, a higher liquid content may be allowed in a multiphase mixture which is substantially in gaseous form, which is required inter alia for use under water. Before the turbo compressor 1 An in-line separator may be arranged. Experiments have shown that by combining the expansion chamber with the contraction chamber, a droplet content of at least 70% of the liquid phase can be achieved.

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Turboverdichters 11, der ähnlich wie der in 1 gezeigte Turboverdichter 1 aufgebaut ist. Für übereinstimmende Komponenten werden daher dieselben Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet. 2 shows a second embodiment of a turbocompressor 11 similar to the one in 1 shown turbocompressor 1 is constructed. For matching components, therefore, the same reference numerals are used as in the first embodiment.

In Übereinstimmung mit dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst der Turboverdichter 11 ein Gehäuse 2 mit einer Leiteinrichtung 3 und eine Welle 4 mit wenigstens einem Laufrad 5.In accordance with the first embodiment, the turbocompressor 11 a housing 2 with a guide 3 and a wave 4 with at least one impeller 5 ,

Bei dem Turboverdichter 11 ist die Expansionskammer 12 so ausgebildet, dass sie einen sich in Strömungsrichtung, die durch den Pfeil 10 dargestellt wird, konusförmig vergrößernden Abschnitt aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der Expansionskammer 12 sind die Strömungsverluste geringer im Vergleich zur Expansionskammer 7 des ersten Ausführungsbeispiels. In ähnlicher Weise ist die Kontraktionskammer 13, die stromabwärts der Expansionskammer 12 angeordnet ist, so ausgebildet, dass sie einen sich in Strömungsrichtung konusförmig verjüngenden Abschnitt aufweist. Durch die Kombination der Expansionskammer 12 mit der stromabwärts angeordneten Kontraktionskammer 13 wird eine plötzliche Expansion, gefolgt von einer plötzlichen Kontraktion des strömenden Mediums bewirkt, wodurch sich die gewünschte homogene Entstehung und Verteilung von in der Gasphase enthaltenen Flüssigkeitströpfchen ergibt. Dementsprechend weist das an der Saugseite 6 einströmende Fluid fein verteilte Tröpfchen auf, die ohne Weiteres die Verdichterstufen des Turboverdichters 11 passieren können.At the turbo compressor 11 is the expansion chamber 12 designed so that they face each other in the flow direction by the arrow 10 is shown having conical enlarging portion. In this embodiment of the expansion chamber 12 the flow losses are lower compared to the expansion chamber 7 of the first embodiment. Similarly, the contraction chamber 13 , which are downstream of the expansion chamber 12 is arranged so formed that it has a conically tapering in the flow direction section. By combining the expansion chamber 12 with the downstream contraction chamber 13 This causes a sudden expansion, followed by a sudden contraction of the flowing medium, resulting in the desired homogeneous formation and distribution of liquid droplets contained in the gas phase. Accordingly, this points to the suction side 6 inflowing fluid to finely dispersed droplets, which readily the compressor stages of the turbocompressor 11 can happen.

Claims (6)

Turboverdichter (1, 11), der zur Förderung eines Mehrphasengemisches geeignet ist, mit einem eine Leiteinrichtung (3) aufweisenden Gehäuse (2) und einer Welle (4) mit wenigstens einem Laufrad (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Turboverdichter (1, 11) an der Saugseite (6) eine von dem Mehrphasengemisch durchströmbare Expansionskammer (7, 12) und eine stromabwärts angeordnete Kontraktionskammer (9, 13) aufweist, wobei die Kontraktionskammer (9, 13) der Expansionskammer (7, 12) zugehörig nachfolgt.Turbo compressor ( 1 . 11 ), which is suitable for conveying a multiphase mixture, with a guiding device ( 3 ) housing ( 2 ) and a wave ( 4 ) with at least one impeller ( 5 ), characterized in that the turbo-compressor ( 1 . 11 ) on the suction side ( 6 ) an expansion chamber through which the multiphase mixture can flow ( 7 . 12 ) and a downstream contraction chamber ( 9 . 13 ), wherein the contraction chamber ( 9 . 13 ) of the expansion chamber ( 7 . 12 ) follows. Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (7, 12) und die Kontraktionskammer (9, 13) vor einem Ansaugstutzen des Turboverdichters (1, 11) angeordnet sind.Turbo compressor according to claim 1, characterized in that the expansion chamber ( 7 . 12 ) and the contraction chamber ( 9 . 13 ) in front of an intake manifold of the turbocompressor ( 1 . 11 ) are arranged. Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (7, 12) und die Kontraktionskammer (9, 13) in einem Ansaugstutzen des Turboverdichters (1, 11) angeordnet sind.Turbo compressor according to claim 1, characterized in that the expansion chamber ( 7 . 12 ) and the contraction chamber ( 9 . 13 ) in an intake of the turbo compressor ( 1 . 11 ) are arranged. Turboverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskammer (12) einen sich in Strömungsrichtung konusförmig vergrößernden Abschnitt aufweist.Turbo compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion chamber ( 12 ) has a conically enlarging portion in the flow direction. Turboverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontraktionskammer (13) einen sich in Strömungsrichtung konusförmig verjüngenden Abschnitt aufweist. Turbo compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the contraction chamber ( 13 ) has a conically tapering in the flow direction section. Turboverdichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontraktionskammer als Venturidüse ausgebildet ist.Turbo compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the contraction chamber is designed as a Venturi nozzle.
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