DE102014226195A1

DE102014226195A1 - Radial turbo fluid energy machine

Info

Publication number: DE102014226195A1
Application number: DE102014226195.3A
Authority: DE
Inventors: Dieter Nass
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN205654604U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialturbofluidenergiemaschine (RTF) umfassend: – ein Außengehäuse (OC), – ein Innenbündel (IC), wobei das Innenbündel (IC) einen Rotor (R) umfasst, wobei das Innenbündel (IC) stationäre Strömungsführungen (SFG) umfasst, wobei die Radialturbofluidenergiemaschine (RTF) mindestens zwei Prozessstufen (PS) aufweist, die unterschiedlich bezüglich des durchströmenden Massenstroms (MF) eines Prozessfluidstroms (PF1–PF5) ausgebildet sind, wobei der Quotient aus dem größeren Massenstrom (MF) zu dem kleineren Massenstrom (MF) zweier unterschiedlicher Prozessstufen in mindestens einem Betriebspunkt mindestens 1,5 beträgt, wobei die Radialturbofluidenergiemaschine im Axialbereich von Anschlüssen an dem Außengehäuse (OC) zur Zuströmung zu einer Prozessstufe (PS) oder zur Abströmung von einer Prozessstufe (PC) sich in Umfangsrichtung (CD) erstreckende Ringräume (RR) aufweist. Zur Verbesserung der Kompaktheit wird vorgeschlagen, dass eine innere Oberfläche (ISOC) des Außengehäuses (OC), nämlich eine Außengehäuseringraumfläche (RSOC) in dem Bereich des Ringraums (RR) den Ringraum teilweise definierend radial gegenüber der axial benachbarten inneren Oberfläche (ISOC) des Außengehäuses (OC) über mindestens einen Teil des Umfangs nach radial außen verlagert ist, so dass der Ringraum (RR1) ausgebildet ist.The invention relates to a radial turbofluid energy machine (RTF) comprising: an outer housing (OC), an inner bundle (IC), the inner bundle (IC) comprising a rotor (R), the inner bundle (IC) comprising stationary flow guides (SFG), wherein the radial turbofluid energy machine (RTF) has at least two process stages (PS) which are differently formed with respect to the mass flow (MF) of a process fluid stream (PF1-PF5), the quotient being from the larger mass flow (MF) to the smaller mass flow (MF) two different process stages in at least one operating point is at least 1.5, wherein the radial turbofan energy in the axial range of connections to the outer housing (OC) to the inflow to a process stage (PS) or to the outflow of a process stage (PC) in the circumferential direction (CD) extending Annular spaces (RR) has. To improve compactness, it is proposed that an inner surface (ISOC) of the outer casing (OC), namely an outer casing ring surface (RSOC) in the region of the annulus (RR), define the annulus partially defining radially opposite the axially adjacent inner surface (ISOC) of the outer casing (OC) is displaced over at least part of the circumference radially outward, so that the annular space (RR1) is formed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Radialturbofluidenergiemaschine umfassend:

– ein Außengehäuse,
– ein Innenbündel,

wobei das Innenbündel einen Rotor umfasst,
wobei das Innenbündel stationäre Strömungsführungen umfasst,
wobei die Radialturbofluidenergiemaschine mindestens zwei Prozessstufen aufweist, die unterschiedlich bezüglich des durchströmenden Massenstroms eines Prozessfluidstroms ausgebildet sind,
wobei der Quotient aus dem größeren Massenstrom zu dem kleineren Massenstrom zweier unterschiedlicher Prozessstufen in mindestens einem Betriebspunkt mindestens 1,5 beträgt,
wobei die Radialturbofluidenergiemaschine im Axialbereich von Anschlüssen an dem Außengehäuse zur Zuströmung zu einer Prozessstufe oder zur Abströmung von einer Prozessstufe sich in Umfangsrichtung erstreckende Ringräume aufweist. The invention relates to a radial turbofan energy machine comprising:

An outer housing,
- an inner bundle,

wherein the inner bundle comprises a rotor,
wherein the inner bundle comprises stationary flow guides,
wherein the radial turbofluid energy machine has at least two process stages which are designed differently with regard to the mass flow of a process fluid stream flowing through,
wherein the quotient from the larger mass flow to the smaller mass flow of two different process stages in at least one operating point is at least 1.5,
wherein the radial turbofan energy machine has in the axial region of connections on the outer housing for the inflow to a process stage or to the outflow from a process stage, circumferentially extending annular spaces.

Die Erfindung beschäftigt sich mit den eingangs definierten Radialturbofluidenergiemaschinen, insbesondere mit Radialverdichtern. In der Folge wird häufig die Beschreibung eines erfindungsspezifischen Sachverhalts anhand eines Radialverdichters vorgenommen. Hierbei ist diese Angabe nicht grundsätzlich als eine Einschränkung auf einen Verdichter zu verstehen, sondern kann – sofern sinnvoll – auch auf einen Expander angewendet werden. Dem Fachmann ist hierbei klar, dass der wesentliche Unterschied im Grundsatz lediglich in einer Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen diesen beiden Fluidenergiemaschinen besteht. Grundsätzlich kann ein Radialverdichter bzw. Radialturboverdichter unter Umkehrung der Druckverhältnisse auch als Radialturboexpander betrieben werden. The invention is concerned with the initially defined radial turbofan energy machines, in particular with centrifugal compressors. As a result, the description of a subject-specific fact is often made on the basis of a radial compressor. In this case, this information is not to be construed as a limitation to a compressor, but may - if appropriate - also be applied to an expander. It is clear to the person skilled in the art that the essential difference in principle consists only in a reversal of the flow direction between these two fluid energy machines. In principle, a radial compressor or radial turbocompressor can also be operated as a radial turbo-expander by reversing the pressure conditions.

Im Einzelfall würde für einen derartigen Regelbetrieb eine verdichterspezifische bzw. expanderspezifische strömungstechnische Optimierung vorgesehen sein. Diese Aspekte sind für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung, so dass – falls nicht anders angegeben und soweit sinnvoll – der Begriff „Verdichter“ synonym verstanden wird, für „Fluidenergiemaschine“ oder „Expander“. In individual cases, a compressor-specific or expansion-specific fluidic optimization would be provided for such a control operation. These aspects are of no significance to the present invention, so that - unless stated otherwise and where appropriate - the term "compressor" is understood synonymously for "fluid energy machine" or "expander".

Radialturbofluidenergiemaschinen dienen der Umwandlung von technischer Arbeit ist Strömungsarbeit oder umgekehrt, wobei stets eine Umlenkung von einer axialen Strömungsrichtung in eine radiale Strömungsrichtung – oder umgekehrt – erfolgt. Im Falle des Verdichtens saugt ein Laufrad im Wesentlichen axial anströmendes Prozessfluid an, lenkt dieses Prozessfluid in die Radialrichtung um und beschleunigt das Prozessfluid derart, dass insbesondere eine anschließende Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Diffusor zu einem Druckanstieg führt. Hierbei wird dem Prozessfluid Energie zugeführt. Bei einer mehrstufigen Verdichtung folgt nach dem radialen Austritt aus einem Laufrad schon aufgrund der Durchmessererweiterung eine Verzögerung und damit Druckerhöhung. In einer anschließenden 180°-Umlenkung nach radial innen, ist der umlenkende Ringraum in der Regel sich in Breitenrichtung des Strömungskanals aufweitend ausgebildet, so dass es zu einer weiteren Verzögerung und damit Druckerhöhung kommt. Zumindest bis zur eigentlichen Umkehr der Strömung nach radial innen kann meist von einer Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit ausgegangen werden. Anschließend wird das abgebremste Prozessfluid nach radial innen und axial dem nachfolgenden Laufrad zugeführt werden für eine Wiederholung der Abfolge der vorhergehend beschriebenen Schritte. Radial turbofluid energy machines serve the conversion of technical work is flow work or vice versa, whereby always a deflection from an axial flow direction in a radial flow direction - or vice versa - takes place. In the case of compaction, an impeller sucks in substantially axially inflowing process fluid, deflects this process fluid in the radial direction and accelerates the process fluid such that in particular a subsequent delay of the flow velocity in a diffuser leads to an increase in pressure. In this case, the process fluid is supplied with energy. In a multi-stage compression follows after the radial exit from an impeller already due to the diameter extension, a delay and thus pressure increase. In a subsequent 180 ° deflection radially inward, the deflecting annular space is usually formed widening in the width direction of the flow channel, so that there is a further delay and thus pressure increase. At least until the actual reversal of the flow radially inward, it can usually be assumed that there is a delay in the flow velocity. Subsequently, the braked process fluid will be fed radially inward and axially to the following impeller for repeating the sequence of steps previously described.

Ist die Verdichtung nur einstufig oder handelt es sich bei der Verdichtungsstufe um die letzte einer mehrstufigen Verdichtung, wird das Prozessfluid in der Regel nicht radial nach innen zurückgeführt sondern in einem erweiterten Ringraum gesammelt. Vergleichbare Ringräume mit einer gewissen räumlichen Ausdehnung befinden sich bei einer gattungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine stets an den Anschlüssen zur Zuströmung oder Abströmung zu bzw. aus dem Gehäuse der Maschine. Je nach Volumenstrom bzw. Druckniveau und Massenstrom müssen einerseits die Laufräder groß genug ausgeführt sein, um die entsprechende Schluckfähigkeit aufzuweisen und andererseits müssen auch die Ringräume für die Einströmung bzw. vor der Abströmung eine hinreichende Größe aufweisen, das Prozessfluid dem Laufrad ohne übermäßige Druckverluste zuzuführen bzw. das Prozessfluid aus dem Diffusor ohne unnötige Beschleunigung zu übernehmen und nachfolgenden Prozessschritten zuzuführen. If the compression is only one-stage or if the compression stage is the last of a multi-stage compression, the process fluid is generally not returned radially inwards but collected in an expanded annular space. Comparable annular spaces with a certain spatial extent are always located at a connection to the inflow or outflow to or from the housing of the machine in a generic radial turbofan energy machine. Depending on the volume flow or pressure level and mass flow on the one hand, the wheels must be large enough to have the appropriate absorption capacity and on the other hand, the annular spaces for the inflow or before the outflow must have a sufficient size to supply the process fluid to the impeller without excessive pressure losses or to take over the process fluid from the diffuser without undue acceleration and to supply it to subsequent process steps.

Unter einer Prozessstufe versteht die Erfindung einen Vorgang der Zufuhr von Strömungsarbeit oder Entnahme technischer Arbeit zu bzw. aus einem Prozessfluid mittels einer gattungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine, bei dem der Massenstrom des Prozessfluids über die Vorgänge in der Prozessstufe im Wesentlichen konstant bleibt. Bei einer Entnahme oder einer Zufuhr von Prozessfluid beginnt nach der Terminologie der Erfindung eine weitere Prozessstufe. Etwaige Verluste, beispielsweise durch Leckagen von Prozessfluid werden in dieser Betrachtung vernachlässigt. Under a process stage, the invention means a process of supplying flow work or extraction of technical work to or from a process fluid by means of a generic radial turbofan energy machine in which the mass flow of the process fluid remains substantially constant over the processes in the process stage. Upon removal or delivery of process fluid, another terminology begins according to the terminology of the invention. Any losses, for example due to leaks of process fluid are neglected in this consideration.

Bei verhältnismäßig großen Zuspeisungen oder Entnahmen von Prozessfluid ergibt sich naturgemäß eine große Differenz zwischen dem Raumbedarf verschiedener Prozessstufen, wenn diese Bestandteil einer einzigen Radialturbofluidenergiemaschine sind. So ist es möglich, dass verschiedene Prozessstufen einer einzigen Radialturbofluidenergiemaschine mit einem einzigen Rotor Massenströme aufweisen, die sich durch ein Vielfaches voneinander unterscheiden. Die bisherige Bauweise sieht vor, dass das Innenbündel insbesondere hinsichtlich des Durchmessers anhand der Prozessstufe mit dem größten Massenstrom dimensioniert wird. Dementsprechend ist das Innenbündel im Axialbereich der kleinsten Prozessstufe mit dem geringsten Massenstrom hinsichtlich des Außendurchmessers des Innenbündels häufig stark überdimensioniert. Insbesondere bei einem Topfverdichter bzw. einer Bauweise eines Außengehäuses ohne Teilung in Umfangsrichtung, bei dem das Innenbündel axial in das Außengehäuse bzw. einen Außengehäusemantel eingeführt wird, ist es schon aus Gründen des Fügens nicht möglich, größere Durchmessersprünge am Innenbündel vorzusehen. Konstruktionsbedingt werden daher herkömmliche Radialturbofluidenergiemaschinen mit unnötig großem Raumbedarf ausgebildet, wenn es zwischen einzelnen Prozessstufen große Unterschiede hinsichtlich des Massenstroms gibt. Herkömmliche Bauweisen sind beispielsweise aus der DE 10 2010 041 208 A1 und der EP 2 045 472 A1 bekannt. With relatively large feeds or withdrawals of process fluid, of course, there is a large difference between the space requirements of different process stages when they are part of a single radial turbofan energy machine. So it is possible that different process stages of a single Radial turbofluid energy machine with a single rotor mass flows, which differ by a multiple of each other. The previous design provides that the inner bundle is dimensioned in particular with regard to the diameter of the process stage with the largest mass flow. Accordingly, the inner bundle in the axial region of the smallest process stage with the lowest mass flow is often greatly oversized in terms of the outer diameter of the inner bundle. Particularly in the case of a pot compactor or a design of an outer housing without division in the circumferential direction, in which the inner bundle is inserted axially into the outer housing or an outer housing jacket, it is not possible for reasons of joining to provide larger diameter jumps on the inner bundle. Due to the design, therefore, conventional radial turbofan energy machines are designed with unnecessarily large space requirements if there are large differences in mass flow between individual process stages. Conventional designs are for example from the DE 10 2010 041 208 A1 and the EP 2 045 472 A1 known.

Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik, hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, den Raumbedarf einer gattungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine bei größeren Abweichungen zwischen den Massenströmen einzelner Prozessstufen zu reduzieren. Based on the problems and disadvantages of the prior art, the invention has set itself the task of reducing the space requirements of a generic radial turbofan energy machine with larger deviations between the mass flows of individual process stages.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Radialturbofluidenergiemaschine der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. To achieve the object of the invention, a radial turbofan energy machine of the type mentioned is proposed with the additional features of the characterizing part of claim 1. The dependent claims include advantageous developments of the invention.

Geometrische Begriffe, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf eine Rotationsachse einer Welle der Radialturbofluidenergiemaschine – wenn dies nicht anders angegeben ist. Geometric terms, such as axial, radial, tangential or circumferential direction always refer to a rotational axis of a shaft of the radial turbofan energy machine - unless otherwise stated.

Unter erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschinen sind sowohl Verdichter als auch Expander zu verstehen, wobei hier auch Mischformen denkbar sind, beispielsweise auf einer Welle angeordnete Verdichterstufen und Expanderstufen, wobei der Expander hierbei zumindest teilweise dem Antrieb eines Verdichters dienen kann. Radial turbofluid energy machines according to the invention are understood to mean both compressors and expanders, with hybrid forms also being conceivable here, for example compressor stages and expander stages arranged on a shaft, wherein the expander can at least partially serve to drive a compressor.

Der Regelfall einer erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine wird zumindest das Herausführen eines Wellenendes des Rotors aus zumindest einer Stirnseite des Außengehäuses vorsehen, so dass eine Antriebsmaschine, z. B. ein Elektromotor oder eine Turbine oder eine Abtriebsmaschine, z. B. eine andere Fluidenergiemaschine oder ein Generator angeschlossen werden können. Die stationären Strömungsführungen des Innenbündels dienen einerseits bei einer mehrstufigen Verdichtung oder Expansion der radialen Umlenkung und andererseits der strömungstechnischen Vorbereitung für den Eintritt in die nächste Stufe. Hierzu zählen einerseits Beschleunigung oder Verzögerung und andererseits eine Veränderung des Bereichs des Prozessfluids. Hierzu können die strömungsführenden stationären Elemente des Innenbündels, die häufig auch als Rückführstufen bezeichnet werden, in den sich ringförmig erstreckenden Strömungskanälen auch Leitschaufeln aufweisen. Das Innenbündel ist hierbei bevorzugt in axiale Teilabschnitte gegenständlich unterteilt und zu einem axialen Stapel zusammengefasst, wobei die einzelnen axialen Abschnitte lösbar aneinander befestigt sind. The rule of a radial turbofan energy machine according to the invention will provide at least the lead out of a shaft end of the rotor from at least one end face of the outer housing, so that a drive machine, for. As an electric motor or a turbine or an output machine, z. B. another fluid energy machine or a generator can be connected. The stationary flow guides of the inner bundle serve on the one hand in a multi-stage compression or expansion of the radial deflection and on the other hand, the fluidic preparation for entry into the next stage. These include on the one hand acceleration or deceleration and on the other hand a change of the range of the process fluid. For this purpose, the flow-carrying stationary elements of the inner bundle, which are often referred to as return stages, in the annularly extending flow channels also have vanes. In this case, the inner bundle is preferably subdivided objectively into axial subsections and combined to form an axial stack, with the individual axial sections being detachably fastened to one another.

Erfindungsgemäß beträgt der Unterschied des Massenstroms zwischen zwei Prozessstufen mindestens 50% bzw. der Quotient aus zwei Massenströmen ergibt sich zu 1,5 oder mehr. Der Vorteil der Erfindung wächst mit zunehmendem Unterschied zwischen dem größten Massenstrom und dem kleinsten Massenstrom jeweils einer Prozessstufe der erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine. Das Verhältnis der beiden Massenströme zueinander steht hierbei besonders bevorzugt in einem Verhältnis größter Massenstrom zu kleinster Massenstrom zwischen 3 bis 10. According to the invention, the difference in mass flow between two process stages is at least 50% or the quotient of two mass flows is 1.5 or more. The advantage of the invention increases with increasing difference between the largest mass flow and the smallest mass flow in each case one process stage of the radial turbofluid energy machine according to the invention. The ratio of the two mass flows to each other is particularly preferably in a ratio of the largest mass flow to the smallest mass flow between 3 to 10.

Das Kennzeichen der Erfindung lässt sich alternativ auch derart formulieren, dass mindestens ein Ringraum im Bereich einer Zuströmung oder Abströmung zumindest teilweise von einer Ausnehmung an der inneren Oberfläche des Außengehäuses gebildet ist und sich dementsprechend zwischen dem Innenbündel und der inneren Oberfläche des Außengehäuses befindet. Zu diesem Zweck ist die innere Oberfläche des Außengehäuses quasi ausgebeult, so dass auch teilweise von dem Innenbündel definierte Ringräume im Bereich von Zuströmungen oder Abströmungen mittels der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Ausbeulung der inneren Oberfläche des Außengehäuses vergrößert sind. Auf diese Weise nimmt bei einem großen Raumbedarf des Ringraums der Durchmesser des Innenbündels nicht zu. Anders, als im Stand der Technik ist der Durchmesser des Innenbündels nicht mehr von dem benötigten radialen Platzbedarf der Prozessstufe mit dem größten Massenstrom geprägt, sondern kann sich im Wesentlichen an den notwendigen Abmessungen der sonstigen stationären strömungsführenden Elemente des Innenbündels orientieren. The characteristic of the invention can alternatively also be formulated such that at least one annular space in the region of an inflow or outflow is at least partially formed by a recess on the inner surface of the outer housing and is accordingly located between the inner bundle and the inner surface of the outer housing. For this purpose, the inner surface of the outer housing is quasi bulged, so that partially defined by the inner bundle annular spaces in the region of inflows or outflows are increased by means of extending in the circumferential direction buckling of the inner surface of the outer housing. In this way, with a large space requirement of the annular space, the diameter of the inner bundle does not increase. Unlike in the prior art, the diameter of the inner bundle is no longer determined by the required radial space requirement of the process stage with the largest mass flow, but can essentially be based on the necessary dimensions of the other stationary flow-guiding elements of the inner bundle.

Im Sinne weiterer strömungstechnischer Vorteile kann die Außengehäuseringraumfläche zumindest über einen Teil des Umfangs mit einer Hinterschneidung ausgebildet sein. Diese Hinterschneidung – also ein Konstruktionselement, das an dem Außengehäuse quasi frei hervorsteht und damit verhindert, dass bei einer Gusskonstruktion sich das Gussteil aus seiner Gussform einfach entfernen lässt – kann sich bevorzugt zumindest über einen Teil des Umfangs erstrecken. Damit der Ringraum im Radialbereich des Außengehäuses hinreichend Platz findet, ist es zweckmäßig, wenn die radial äußere Oberfläche des Außengehäuses gegenüber den sonstigen radial äußeren Oberflächen hervorstehend ausgebildet ist und besonders bevorzugt sich hierbei zumindest über einen Teil des Umfangs oder über den gesamten Umfang erstreckt. In terms of further aerodynamic advantages, the outer housing annular surface may be formed at least over part of the circumference with an undercut. This undercut - so a construction element, the at the Outer housing virtually protrudes and thus prevents that in a cast construction, the casting from its mold can be easily removed - may preferably extend at least over part of the circumference. So that the annular space finds sufficient space in the radial area of the outer housing, it is expedient if the radially outer surface of the outer housing is formed protruding from the other radially outer surfaces and particularly preferably extends over at least part of the circumference or over the entire circumference.

Die erfindungsgemäßen Vorteile kommen besonders zum Tragen, wenn das Außengehäuse ohne eine sich axial erstreckende Teilfuge zur Unterteilung in Umfangsrichtung ausgebildet ist bzw. in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildet ist. Auf diese Weise entfallen die regelmäßig sehr aufwändigen Teilfugenschrauben oder sonstige Befestigungselemente für die Teilfuge, so dass die Konstruktion weniger raumgreifend und günstiger wird. Zusätzlich erträgt das in Umfangsrichtung ungeteilte Außengehäuse bei vergleichbarer Wandstärke höhere Druckdifferenzen, insbesondere, ohne übermäßige Verformungen. The advantages of the invention are particularly useful when the outer housing is formed without an axially extending parting line for subdivision in the circumferential direction or is formed undivided in the circumferential direction. In this way, eliminates the regularly very costly parting screws or other fasteners for the parting line, so that the construction is less bulky and cheaper. In addition, the outer housing, which is undivided in the circumferential direction, tolerates higher pressure differences with comparable wall thickness, in particular, without excessive deformations.

Besondern bevorzugt ist das Außengehäuse als Gussbauteil ausgebildet, so dass sich die an dem Außengehäuse auf der inneren Oberfläche nach der Erfindung notwendigen nach radial außen gerichteten Formgebungen einfach herstellen lassen. Bei einem Gussbauteil lassen sich die Gehäusebereiche axial platzsparender gestalten. Hierbei kann insbesondere ein sich in Umfangsrichtung veränderlicher Querschnitt der Ringräume besser genutzt werden, den axialen Bauraum besser auszunutzen, indem die jeweils maximalen radialen Querschnitte der Ringraume zueinander in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. Particularly preferably, the outer housing is designed as a cast component, so that can be easily produced on the outer housing on the inner surface according to the invention necessary radially outwardly directed shapes. In a cast component, the housing areas can be made axially space-saving. In this case, in particular a circumferentially variable cross-section of the annular spaces can be better used to better exploit the axial space by the respective maximum radial cross sections of the annular spaces are arranged offset from each other in the circumferential direction.

Insbesondere bei einer in Umfangsrichtung ungeteilten Ausbildung des Außengehäuses ist es zweckmäßig, wenn das Außengehäuse axial stirnseitig auf mindestens einer Seite, bevorzugt auf beiden Seiten mittels eines Deckels verschlossen ist. Auf diese Weise können die Bauteile des Innenbündels bzw. das gesamte Innenbündel in axialer Richtung – wie bereits aus dem angegebenen Stand der Technik bekannt – in das Außengehäuse eingeführt werden. Besonders bevorzugt dient mindestens ein stirnseitiger Deckel als Träger zumindest einer der folgenden Bauteile: Axiallager, Radiallager, Wellendichtung. In particular, in a undivided in the circumferential direction of the outer housing configuration, it is expedient if the outer housing is axially closed on at least one side, preferably on both sides by means of a lid. In this way, the components of the inner bundle or the entire inner bundle in the axial direction - as already known from the cited prior art - are introduced into the outer housing. Particularly preferably, at least one end-side cover serves as a carrier for at least one of the following components: thrust bearing, radial bearing, shaft seal.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: In the following the invention with reference to a specific embodiment with reference to drawings is described in detail. Show it:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Fluidenergiemaschine, 1 a schematic longitudinal section through a fluid energy machine according to the invention,

2 eine schematische Wiedergabe eines Flussdiagramms von Massenströmen an einer erfindungsgemäßen Fluidenergiemaschine. 2 a schematic representation of a flow chart of mass flows on a fluid energy machine according to the invention.

Die in 1 gezeigte schematische Darstellung eines Längsschnitts einer erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine RTF zeigt ein Außengehäuse OC, ein Innenbündel IC, wobei das Innenbündel IC einen Rotor R umfasst. Neben dem Rotor R umfasst das Innenbündel IC auch stationäre Strömungsführungen SFG. In the 1 shown schematic representation of a longitudinal section of a radial turbofluid energy machine RTF according to the invention shows an outer casing OC, an inner beam IC, wherein the inner beam IC comprises a rotor R. In addition to the rotor R, the inner bundle IC also includes stationary flow guides SFG.

In dem Ausführungsbeispiel weist die Radialturbofluidenergiemaschine RTF drei Prozessstufen PS1, PS2, PS3 auf. In der ersten, zweiten und dritten Prozessstufe PS1, PS2, PS3 rotiert jeweils ein Impeller IMP1, IMP2, IMP3 um eine Rotationsachse X des Rotors R. Bei der als Verdichter ausgebildeten Radialturbofluidenergiemaschine RTF saugen die Impeller IMP1 bis IMP3 jeweils aus axialer Strömungsrichtung einen Prozessfluidstrom PF1–PF5 an und beschleunigen diesen Massenstrom in radialer Richtung bis zu einem Austritt aus dem jeweiligen Impeller IMP1, IMP2, IMP3. Vor dem Eintritt in den Impeller IMP1, IMP2 und nach dem Austritt durchströmt das Prozessfluid PF1–PF5 jeweils stationäre Strömungsführungen SFG des Innenbündels. Im Axialbereich von Anschlüssen an dem Außengehäuse OC zur Zuströmung zu einer Prozessstufe PS1 bis PS3 oder zur Abströmung von einer Prozessstufe PS1 bis PS3 sind an dem Innenbündel IC und an dem Außengehäuse OC auf der inneren Oberfläche sich in Umfangsrichtung CD erstreckende Ringräume RR, RR1–RR5 vorgesehen, wo der Prozessfluidstrom PF1 bis PF5 sich jeweils zur Zuströmung zu dem Impeller IMP1–IMP3 oder nach der Abströmung aus dem Impeller IMP1–IMP3 und vor Austritt aus der Radialturbofluidenergiemaschine RTF sich sammelt. Der erste, zweite und vierte Ringraum RR1, RR2, RR4 sind als erster, zweiter bzw. dritter Einlauf E1, E2, E3 bzw. jeweils als Zuströmung zu den Impellern IMP1, IMP2, IMP3 der Prozesstufen PS1, PS2, PS3 vorgesehen. Der dritter und der fünfte Ringraum RR3, RR5 sind als Abströmungen aus den Impellern IMP2, IMP3 ausgebildet. Je nach Massenstrom MF müssen diese Ringräume RR zur Herstellung der gewünschten Thermodynamik bzw. des gewünschten Geschwindigkeitsprofils und Druckniveaus ein bestimmtes Volumen und vorteilhaft eine bestimmte Form aufweisen, so dass auch mit möglichst geringem Druckverlust die nach Bernoulli notwendige Strömungsgeschwindigkeit dem Prozessfluidstrom PF1 bis PF5 aufgeprägt werden kann, so dass zum Beispiel im Falle des Verdichters das gewünschte Druckniveau aus der Verzögerung resultiert. In the exemplary embodiment, the radial turbofluid energy machine RTF has three process stages PS1, PS2, PS3. In the first, second and third process stages PS1, PS2, PS3, an impeller IMP1, IMP2, IMP3 respectively rotates about an axis of rotation X of the rotor R. In the centrifugal turbofan energy machine RTF designed as a compressor, the impellers IMP1 to IMP3 each suck a process fluid flow PF1 from the axial flow direction -PF5 and accelerate this mass flow in the radial direction up to an exit from the respective impeller IMP1, IMP2, IMP3. Before entering the impeller IMP1, IMP2 and after the outlet, the process fluid PF1-PF5 flows through stationary flow guides SFG of the inner bundle. In the axial region of connections on the outer housing OC for the inflow to a process stage PS1 to PS3 or to the outflow from a process stage PS1 to PS3 are on the inner beam IC and on the outer housing OC on the inner surface in the circumferential direction CD extending annular spaces RR, RR1 RR5 provided where the process fluid flow PF1 to PF5 collects respectively to the inflow to the impeller IMP1-IMP3 or after the outflow from the impeller IMP1-IMP3 and before exiting the radial turbofan energy machine RTF. The first, second and fourth annular space RR1, RR2, RR4 are provided as first, second and third inlets E1, E2, E3 and in each case as inflow to the impellers IMP1, IMP2, IMP3 of the process stages PS1, PS2, PS3. The third and the fifth annulus RR3, RR5 are formed as outflows from the impellers IMP2, IMP3. Depending on the mass flow MF, these annular spaces RR must have a certain volume and advantageously a certain shape for producing the desired thermodynamics or the desired velocity profile and pressure levels, so that the flow velocity necessary for Bernoulli can be impressed on the process fluid stream PF1 to PF5 even with the lowest possible pressure loss so that, for example, in the case of the compressor, the desired pressure level results from the deceleration.

Aus der 2 ist erkennbar, dass die einzelnen Prozessstufen PS1–PS3 von unterschiedlichen Massenströmen MF der Prozessfluidströme PF1–PF5 durchströmt werden. Stromabwärts der ersten Prozessstufe PS1 wird ein zweiter Prozessfluidstrom PF2 dem aus der ersten Prozessstufe PS1 austretenden ersten Prozessfluidstrom PF1 zugeführt, so dass ein – vorliegend um 800% – größerer dritter Prozessfluidstrom PF3 in die zweite Prozessstufe PS2 eintritt. Stromabwärts der zweiten Prozessstufe PS2 wird dem dritten Prozessfluidstrom PF3 der vierte Prozessfluidstrom PF4 entnommen, so dass der um einen großen Anteil des Massenstroms MF reduzierte fünfte Prozessfluidstrom PF5 stromabwärts der dritten Prozessstufe PS3 zugeführt wird. Diese Verteilung von Massenströmen MF auf die verschiedenen Prozessstufen PS1 bis PS3 macht es erforderlich, dass die in 1 abgebildete Radialturbofluidenergiemaschine RTF in der zweiten Prozessstufe PS2 sehr viel größer ausgebildet ist als in der ersten Prozessstufe PS1 und der zweiten Prozessstufe PS2. Dementsprechend sind der erste Impeller IMP1 und der dritte Impeller IMP3, der erste Ringraum RR1 und der vierte Ringraum RR4 jeweils kleiner ausgebildet als der zweite Impeller IMP2 bzw. zweite und dritte Ringraum RR2, RR3. From the 2 It can be seen that the individual process stages PS1-PS3 are flowed through by different mass flows MF of the process fluid streams PF1-PF5. Downstream of the first process stage PS1, a second process fluid flow PF2 is supplied to the first process fluid flow PF1 emerging from the first process stage PS1, so that a third process fluid flow PF3 - in this case 800% larger - enters the second process stage PS2. Downstream of the second process stage PS2, the fourth process fluid stream PF4 is taken from the third process fluid stream PF3, so that the fifth process fluid stream PF5, which is reduced by a large proportion of the mass flow MF, is fed downstream of the third process stage PS3. This distribution of mass flows MF to the various process stages PS1 to PS3 requires that the in 1 illustrated radial turbofluid energy machine RTF is formed much larger in the second process stage PS2 than in the first process stage PS1 and the second process stage PS2. Accordingly, the first impeller IMP1 and the third impeller IMP3, the first annulus RR1 and the fourth annulus RR4 are each made smaller than the second impeller IMP2 and second and third annulus RR2, RR3, respectively.

Das Außengehäuse OC besteht im Wesentlichen aus einem in Umfangsrichtung ungeteilten Mantelteil und einem stirnseitig das Außengehäuse OC bzw. Mantelteil verschließenden Deckel COV. Die Deckel COV sind von axialer Richtung außen an den Mantel des Außengehäuses OC mittels Schrauben angebracht. Zur Befestigung der Deckel COV können auch andere mechanische Befestigungselemente dienen. Das Innenbündel IC wird im Rahmen der Montage axial in den Mantel des Außengehäuses OC eingeführt, bevor beide Deckel COV zum Verschluss des Außengehäuses OC an dem Außengehäuse befestigt werden. Zweckmäßig ist die Montage zunächst eines Deckels an dem Außengehäuse OC und ein anschließendes axiales Einführen des Innenbündels IC, wobei bevorzugt ein sogenannter Schachtelhalm an dem Innenbündel IC als axiale Verlängerung des Innenbündels IC ein Abstützen an einer zentralen Öffnung des Deckels COV oder durch diese zentrale Öffnung hindurch eine axiale Führung des Innenbündels IC gewährleistet. Gemeinsam mit dem Innenbündel IC wird der zu dem Innenbündel IC gehörige Rotor R in das Außengehäuse OC eingeführt. An den Deckeln COV sind Wellendichtungen SSH, ein Axiallager AB und Radiallager RB befestigt. The outer housing OC essentially consists of a shell part which is undivided in the circumferential direction and a cover COV closing the outer housing OC or shell part at the end. The covers COV are attached from the outside to the outside of the jacket of the outer housing OC by means of screws. For fixing the cover COV other mechanical fasteners can serve. The inner bundle IC is axially inserted into the shell of the outer housing OC during assembly, before both covers COV are fastened to the closure of the outer housing OC on the outer housing. Appropriately, the assembly of a first cover on the outer housing OC and subsequent axial insertion of the inner beam IC, wherein preferably a so-called Horsetail on the inner beam IC as an axial extension of the inner beam IC support at a central opening of the cover COV or through this central opening therethrough ensures axial guidance of the inner beam IC. Together with the inner beam IC of belonging to the inner beam IC rotor R is inserted into the outer housing OC. On the covers COV shaft seals SSH, a thrust bearing AB and radial bearing RB are attached.

Eine innere Oberfläche ISOC des Außengehäuses OC, nämlich eine Außengehäuseringraumfläche RSOC ist in dem Bereich des dritten Ringraums RR3, den Ringraum RR teilweise definierend, radial gegenüber der axial benachbarten inneren Oberfläche ISOC des Außengehäuses OC über mindestens einen Teil des Umfangs nach radial außen verlagert, so dass mindestens ein dritter Ringraum RR3 ausgebildet ist. Im Längsschnitt der 1 ist gezeigt, dass sämtliche Ringräume RR durch die entsprechenden Formgebungen der inneren Oberfläche ISOC des Außengehäuses OC zumindest teilweise definiert sind, derart, dass nicht ausschließlich im Radialbereich des Innenbündels IC die radiale Ausdehnung der Ringräume RR vorgesehen ist. Auf diese Weise spart der erfindungsgemäße Verdichter radialen Bauraum des Innenbündels IC und über weitere Abschnitte der Axialerstreckung der Maschine radialen Bauraum auch des Außengehäuses OC. Insgesamt ist die Radialturbofluidenergiemaschine RTF nach der Erfindung auf diese Weise weniger raumgreifend. An inner surface ISOC of the outer casing OC, namely an outer casing ring surface RSOC, is radially outwardly displaced over the axially adjacent inner surface ISOC of the outer casing OC over at least a part of the circumference in the region of the third annulus RR3, partially defining the annulus RR, so in that at least one third annular space RR3 is formed. In longitudinal section of the 1 It is shown that all the annular spaces RR are at least partially defined by the corresponding shapes of the inner surface ISOC of the outer housing OC, such that the radial extent of the annular spaces RR is not provided exclusively in the radial area of the inner bundle IC. In this way, the compressor according to the invention saves radial space of the inner beam IC and over other portions of the axial extent of the machine radial space and the outer housing OC. Overall, the radial turbofluid energy machine RTF according to the invention in this way less space consuming.

Zumindest der dritte Ringraum RR3 ist über einen Teil des Umfangs mit einer Hinterschneidung CB ausgebildet, die eine strömungsführende Wirkung hat. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Strömung verlustarm geführt. Das Außengehäuse OC ist als Gussteil gebaut, so dass ohne ein Übermaß an Nachbearbeitung die strömungsführenden Bauteile ohne eckige Übergänge gestaltet sein können. Da das Innenbündel IC, nicht wie im Stand der Technik üblich, die volle radiale Ausdehnung der Ringräume RR aufnimmt, ist es erforderlich, dass das Innenbündel IC in axialer Richtung für den Durchlass der Prozessfluidströme in manchen Axialbereichen im Wesentlichen über den gesamten Umfang unterbrochen ausgebildet ist. Damit das Innenbündel IC dennoch in Axialrichtung eine transportierbare Einheit ausbildet, ist es zweckmäßig, dass axiale Verbindungselemente CE an den Stellen der axialen Unterbrechung des Innenbündels IC vorgesehen sind. Diese Verbindungselemente sind von dem Prozessfluidströmen umströmt in den Ringräumen RR. At least the third annulus RR3 is formed over a part of the circumference with an undercut CB which has a flow guiding effect. In this way, the flow is advantageously performed loss. The outer housing OC is constructed as a casting, so that without an excess of post-processing the flow-leading components can be designed without angular transitions. Since the inner beam IC does not receive the full radial extent of the annular spaces RR, as is conventional in the prior art, it is necessary for the inner beam IC to be interrupted in the axial direction for the passage of the process fluid streams in some axial areas substantially over the entire circumference , So that the inner beam IC nevertheless forms a transportable unit in the axial direction, it is expedient that axial connecting elements CE are provided at the points of axial interruption of the inner beam IC. These connecting elements are flowed around by the process fluid flows in the annular spaces RR.

Das Innenbündel IC weist axial aneinander gefügte Innenbündelabschnitte ICS auf, die die stationäre Strömungsführung SFG bilden. Die radial umlenkenden Rückführstufen des Rückführbündels IS umfassen hierbei regelmäßig einen so genannten Zwischenboden, der mit einem Schaufelboden ausgestattet ist, wobei der Schaufelboden an dem Zwischenboden mittels Leitschaufeln angebracht ist. Die stationären Strömungsführungen SFG sind hierbei regelmäßig in Umfangsrichtung geteilt ausgebildet, so dass eine Teilfuge das Zerlegen dieser Axialabschnitte in wenigstens zwei Hälften ermöglicht. Auf diese Weise kann ein ungeteilter Rotor R in eine Hälfte des Innenbündels IC eingelegt werden, bevor die andere Hälfte des Innenbündels IC das Innenbündel IC bzw. dessen stationäre Strömungsführungen SFG komplettiert. The inner bundle IC has axially joined inner bundle sections ICS, which form the stationary flow guide SFG. The radially deflecting return stages of the return bundle IS in this case regularly comprise a so-called intermediate bottom, which is equipped with a blade bottom, wherein the blade bottom is attached to the intermediate bottom by means of guide vanes. The stationary flow guides SFG are formed here regularly divided in the circumferential direction, so that a parting line allows the disassembly of these axial sections in at least two halves. In this way, an undivided rotor R can be inserted into one half of the inner bundle IC before the other half of the inner bundle IC completes the inner bundle IC or its stationary flow guides SFG.

Die Ringräume RR sind in der Regel als in Umfangsrichtung CD veränderliche Spiralen ausgebildet, so dass sich im Axial- und Umfangsbereich der Zuströmung oder Abströmung durch den Mantel des Außengehäuses OC bevorzugt jeweils der maximale Strömungsquerschnitt des Ringraums RR befindet. Diese Ausbildung dient der möglichst verlustarmen Verteilung des Massenstroms MF über den Umfang der Radialturbofluidenergiemaschine RTF in dem jeweiligen Ringraum RR. The annular spaces RR are formed as a rule in the circumferential direction CD variable spirals, so that in the axial and peripheral region of the inflow or outflow through the mantle of the Outer housing OC preferably each of the maximum flow cross-section of the annular space RR is located. This training serves the lowest possible possible distribution of the mass flow MF over the circumference of the radial turbofluid energy machine RTF in the respective annular space RR.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102010041208 A1 [0007]
EP 2045472 A1 [0007]

Claims

Radial turbofluid energy machine (RTF) comprising: - an outer casing (OC), - an inner bundle (IC), wherein the inner bundle (IC) comprises a rotor (R), wherein the inner bundle (IC) comprises stationary flow guides (SFG), wherein the radial turbofluid energy machine ( RTF) has at least two process stages (PS), which are formed differently with respect to the mass flow (MF) flowing through a process fluid stream (PF1-PF5), wherein the quotient of the larger mass flow (MF) to the smaller mass flow (MF) of two different process stages in at least one operating point is at least 1.5, wherein the radial turbofluid energy machine in the axial region of terminals on the outer housing (OC) to the inflow to a process stage (PS1-PS3) or to the outflow from a process stage (PS1-PS3) in the circumferential direction (CD) extending Annular spaces (RR), characterized in that an inner surface (ISOC) of the outer housing (OC), namely, an outer casing ring area (RSOC) in the region of at least one annular space (RR) is displaced radially outward over some or all of the annular space (RR) radially outward of the axially adjacent inner surface (ISOC) of the outer casing (OC) that this annular space (RR) is formed.

A radial turbofan energy (RTF) machine according to claim 1, wherein the outer casing annulus surface (RSOC) is formed with at least part of the circumference with an undercut (CB).

Radial turbofluid energy machine according to claim 1 or 2, wherein in the axial region of the annular space (RR) formed according to claim 1, the radially outer surface of the outer housing (OC) is formed projecting relative to the other radially outer surface.

Radial Turbofluidenergiemaschine (RTF) according to at least one of the preceding claims 1 to 3, wherein the outer housing (OC) is formed undivided in the circumferential direction.

Radial turbofluid energy machine (RTF) according to at least one of the preceding claims 1 to 4, wherein the outer housing (OC) is produced as a cast component.

Radial turbofluid energy machine (RTF) according to at least one of the preceding claims 1 to 5, wherein the outer housing (OC) is closed at both axial end faces by means of a cover (COV), wherein a shaft (SH) of the rotor (R) is led out through an opening of a cover (COV) on at least one axial end side of the outer housing (OC) with a shaft end.

Radial turbofluid energy machine (RTF) according to at least one of the preceding claims 1 to 6, wherein the stationary flow guides (SFG) have in at least one axial region a cavity extending in the circumferential direction and extending radially as far as in the annular space (RR) according to claim 1, wherein in the axial direction through this cavity a plurality of axial connecting elements (CE) extend, which axially connect the stationary flow guide (SFG), which is otherwise axially divided into two axial sections at this point.

Radial turbofluid energy machine (RTF) according to at least one of the preceding claims, wherein the stationary flow guides (SFG) of the inner bundle (IC) comprises axially joined inner bundle sections (ICS), which are at least partially divided in the circumferential direction.

Radial Turbofluidenergiemaschine (RTF) according to at least the preceding claim 6, wherein the provided on the outer housing (OC) cover (COV) at least on one axial end face as a carrier of a radial bearing (RB) and / or thrust bearing (AB) and / or a shaft seal (SSH ) are formed.