DE102016215942A1

DE102016215942A1 - Entnahme von Prozessfluid von Turbomaschinen

Info

Publication number: DE102016215942A1
Application number: DE102016215942.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Hoppe; Dieter Nass; Christian Trautmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine (TM) zur Durchströmung mittels eines Prozessfluids (PF), insbesondere Turboverdichter, umfassend: eine Zuströmung (INL) für das Prozessfluid (PF) in ein Gehäuse (CAS) der Turbomaschine (TM), eine Abströmung (EXT) für das Prozessfluid (PF) aus dem Gehäuse (CAS), eine Entnahme (TAB) für das Prozessfluid (PF) aus dem Gehäuse (CAS), wobei die Entnahme (TAB) hinsichtlich der Durchströmung der Turbomaschine (TM) durch das Prozessfluid (PF) stromabwärts der Zuströmung (INL) und stromaufwärts der Abströmung (EXT) angeordnet ist, wobei die Turbomaschine (TM) einen sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Rotor (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme (TAB) ein in das Gehäuse (CAS) integriertes Regelorgan (PCR) aufweist, mittels dessen ein durchströmter Querschnitt (FCS) der Entnahme (TAB) vergrößerbar oder verkleinerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine zur Durchströmung mittels eines Prozessfluids, insbesondere Turboverdichter, umfassend:

– eine Zuströmung für das Prozessfluid in ein Gehäuse der Turbomaschine,
– eine Abströmung für das Prozessfluid aus dem Gehäuse,
– eine Entnahme für das Prozessfluid aus dem Gehäuse, wobei die Entnahme hinsichtlich der Durchströmung der Turbomaschine durch das Prozessfluid stromabwärts der Zuströmung und stromaufwärts der Abströmung angeordnet ist,
– wobei die Turbomaschine einen sich entlang einer Achse erstreckenden Rotor aufweist.

Prozessbedingt kann es erforderlich sein, Turbomaschinen, insbesondere Verdichter oder Radialverdichter mit Entnahmestufen auszustatten. Wenn die Entnahmemenge an Prozessfluid durch die Entnahmestufe(n) oder schlicht Entnahme(n) Größenordnungen hat, die etwa die Hälfte des Gesamtstroms durch die Turbomaschine umfasst oder sogar mehr, ist es strömungstechnisch sehr schwierig die Entnahme hinreichend genau zu dimensionieren. In unterschiedlichen Fahrpunkten, zum Beispiel hinsichtlich verschiedener Drehzahlen der Turbomaschine, ist es darüber hinaus auch kaum möglich, dass die Entnahmegröße passend ausgelegt ist. Eine nicht korrekt ausgelegte Entnahme hat gravierende Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der gesamten Maschine. Es kann sogar passieren, dass der Anlagenbetreiber mit einer derartigen Turbomaschine den Prozess nicht wie gewünscht ausführen kann. Da die theoretischen Vorhersagen nur mit verhältnismäßig großer Ungenauigkeit während der Auslegung der Maschine möglich sind, fällt ein ungewolltes Abweichen von den thermodynamischen Vorgaben meist erst im Betrieb bzw. Probebetrieb der Turbomaschine auf. Die bisherigen Dimensionierungsmethoden und die strömungstechnischen Vorhersagemöglichkeiten sind Prinzip-bedingt bei großen Entnahmemengen ungenau, so dass die Geometrie der Entnahme kostenintensiv nach einem Probelauf der Maschine bisher ggf. anzupassen ist. Zu diesem Zweck muss die komplette Turbomaschine geöffnet werden und an einer speziell für die Entnahme in dem Gehäuse vorgesehenen Öffnung erfolgt dann eine Anpassung in der Regel eine spanende Bearbeitung. Hierfür ist eine aufwendige Maschine erforderlich, weil die Bearbeitungsstelle an einem in der Regel großen Gehäuse bzw. Werkstück vorliegt. Ist eine höhere Präzision der thermodynamischen Eigenschaften der Turbomaschine gefragt, muss dieser Vorgang ggf. mehrfach wiederholt werden, so dass eine bestmögliche Annährung an den Sollzustand hergestellt werden kann.
Ausgehend von den oben beschriebenen Problemen ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomaschine mit einer gattungsgemäßen Entnahme weiterzubilden, so dass die bisherigen Unwägbarkeiten bei der Dimensionierung und Ausführung der Turbomaschine sich weniger nachteilhaft für den Hersteller und den Prozessbetreiber auswirken.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Turbomaschine der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Turbomaschine sind in den abhängigen Unteransprüchen jeweils angegeben.
Die Zuströmung, Abströmung und die Entnahme einer erfindungsgemäßen Turbomaschine sind jeweils Durchbrechungen in einem Gehäuse bzw. Außengehäuse der Turbomaschine, durch die das Prozessfluid in die Maschine ein- bzw. austreten kann. Diese Durchbrechungen stehen im Betrieb der Turbomaschine mit entsprechenden Leitungen in Verbindung. Hierzu ist es in der Regel vorgesehen, dass die Zuströmung, Abströmung bzw. Entnahme eine Flanschverbindung aufweist oder eine vergleichbare Möglichkeit zur Verbindung mit einer sich anschließenden Strömungsleitung.
Begriffe, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung sind stets auf die Achse des Rotors bezogen, sofern dies nicht anders angegeben ist.
Wird die Entnahme erfindungsgemäß einstellbar ausgeführt, können die tatsächlich erreichten Entnahmemengen auf dem Prüffeld oder im Betrieb im realen Prozess nachjustiert werden. Auf diese Weise kann nicht nur ein gewünschter stationärer Sollzustand fest eingestellt werden, sondern es kann auch eine Optimierung des Wirkungsgrades während des Prozesses durch permanente Nachregelung der Entnahme mittels des Regelorgans erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Turbomaschine stromaufwärts der Entnahme mindestens eine erste Turbomaschinenstufe und stromabwärts der Entnahme mindestens eine zweite Turbomaschinenstufe aufweist. In diesem Zusammenhang bedeutet der Begriff „Turbomaschinenstufe”, dass mindestens ein mit dem Rotor verbundenes Laufrad für eine Zufuhr oder Abfuhr von technischer Arbeit zu oder von dem Prozessfluid vorgesehen ist. Ggf. kann der Rotor auch mehrteilig ausgebildet sein, oder es können mehrere Rotoren vorgesehen sein, so dass verschiedene Drehzahlen für unterschiedliche Stufen der Turbomaschine umgesetzt werden können.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Regelorgan zwischen einem ringförmigen stromaufwärtigen Diffusorraum und einem ringförmigen stromabwärtigen Sammelraum angeordnet ist. Hierbei ist es denkbar, dass das Regelorgan sich in dem bzw. in einer Fortsetzung des Diffusorraums befindet. Bevorzugt handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine um einen Radialturboverdichter, so dass sich an jedes Laufrad mit einem nach radial außen gerichteten Austritt ein Strömungskanal anschließt, der in Folge seiner nach radial außen gerichteten Durchströmung in der Regel als Diffusor anzusehen ist, weil es keine Verjüngung der Axialbreite in Strömungsrichtung gibt, die für eine Beschleunigung trotz der radialen Aufweitung sorgen würde. Der sich hinter dem Regelorgan in Strömungsrichtung befindliche ringförmige Sammelraum kann vorteilhaft als Spirale ausgebildet sein, so dass eine verlustarme Durchströmung des Sammelraums bis in eine rohrförmige Entnahmeleitung bevorzugt vorgesehen ist.
Besonders zweckmäßig ist das Regelorgan als axial geführtes bewegliches ringförmiges, in Umfangsrichtung zwei Hälften bzw. Halbringe teilbares, sich um die Achse X erstreckendes Absperrelement ausgebildet, so dass bei Bewegung in eine erste Axialrichtung das Regelorgan den Querschnitt der Entnahme verkleinert und bei Bewegung in eine entgegengesetzte zweite Axialrichtung den Querschnitt vergrößert.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Absperrelement in Umfangsrichtung drehbar in dem Gehäuse gelagert ausgeführt ist und eine Gewindeführung zwischen dem Gehäuse und dem Absperrelement bei Drehung eine axiale Bewegung führt. Die Gewindeführung kann bevorzugt aus mehreren einzelnen über den Umfang verteilten Gewinden bestehen, so dass die Neigung zu einem Verkanten des Absperrelements bei der die Axialbewegung verursachenden Drehbewegung äußerst gering ist. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein mehrgängiges, insbesondere viergängiges Gewinde, wobei die Gewindenuten gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse entlang einer axialen Teilfuge geteilt ausgebildet, wobei das ringförmige Absperrelement bevorzugt geteilt, bzw. teilbar in Umfangsrichtung ausgebildet ist.
Um Unterbrechungen in der Gewindeführung zu vermeiden, ist es weiterhin bevorzugt, dass gehäuseseitig sich die Gewindegänge nicht über die Teilfugen hinaus erstrecken, so dass pro Gehäusehälfte die halbe Anzahl der Gewindegänge, beispielsweise zwei Gewindegänge pro Gehäusehälfte bei insgesamt vier Gewindegängen vorgesehen werden können, die eine Drehbewegung des Absperrorgans in eine Axialverschiebung übersetzen.
Zweckmäßig ist eine bevorzugt an dem Gehäuse angebrachte Antriebseinheit zum Antrieb der Drehbewegung des Absperrorgans vorsehbar. Diese Antriebseinheit kann einen eigenen Antriebsmotor aufweisen oder auch nur ein Bedienelement zur manuellen Verstellung aufweisen.
Zur weiteren Verbesserung des gesamten Wirkungsgrades der Turbomaschine kann es zweckmäßig sein, wenn ein verstellbarer Leitapparat für die zweiten Turbomaschinenstufen vorgesehen ist. Hierbei kann es sich zweckmäßig um einen Eintrittsleitapparat handeln, der in Abhängigkeit von der Restmenge des Prozessfluids nach der Entnahme die Strömung auf den Eintritt in das oder die nachfolgenden Laufräder vorbereitet.
Besonders zweckmäßig weist dieser einstellbare Leitapparat eine reglungstechnische oder mechanische Kopplung mit der Einstellung des Absperrorgangs der Entnahme auf.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass die Entnahme für eine Entnahme von bis zu mindestens 50% des gesamten Stroms von Prozessfluid durch die Turbomaschine ausgebildet ist. Bei derartig hohen Entnahmemengen rentiert sich die erfindungsgemäße Ausbildung einer einstellbaren Entnahme, insbesondere hinsichtlich der Wirkungsgradverbesserung besonders.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Turbomaschine,
2 ein Detail, das in 1 mit II gekennzeichnet ist,
3 eine perspektivische schematische Darstellung eines Teiles eines Gehäuseunterteils einer erfindungsgemäßen Turbomaschine,
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Absperrelements.
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt entlang einer Achse X durch eine Turbomaschine TM. Die Turbomaschine TM ist hier als Turboverdichter ausgebildet und umfasst ein Gehäuse CAS und einen Rotor R. Das Gehäuse CAS weist eine entlang der Achse X und horizontal verlaufende Teilfuge in einer Teilfugenebene TF auf. Die Teilfuge TF dient der Zerlegung des Gehäuses CAS in ein Gehäuseunterteil CLP und ein Gehäuseoberteil CUP.
Das Gehäuse CAS bzw. die Turbomaschine TM weist eine Zuströmung INL für ein Prozessfluid PF in das Gehäuse CAS auf und eine Abströmung EXT für das Prozessfluid PF aus dem Gehäuse CAS heraus.
In dieser speziellen Ausgestaltung weist die Turbomaschine TM zwei Zuströmungen INL1, INL2 auf, die eine Zuströmung von Prozessfluid PF auf unterschiedlichen Druckniveaus vorsieht.
Stromabwärts (hinsichtlich des Stroms des Prozessfluids PF) der Zuströmung INL (hier Zuströmungen INL1, INL2) und stromaufwärts der Abströmung EXT weist die Turbomaschine eine Entnahme TAB auf, aus der Prozessfluid PF aus dem Gehäuse CAS entnommen werden kann, bevor es die Abströmung EXT erreicht. Die Entnahme TAB ist sehr viel größer ausgebildet, als die Abströmung EXT, wobei dieser Umstand dadurch begründet ist, dass der Volumenstrom und der Massenstrom, für den die Entnahme TAB ausgelegt ist, über 50% des gesamten Stroms an Prozessfluid PF beträgt, der überhaupt durch die Turbomaschine TM gefördert wird.
Stromaufwärts der Entnahme TAB befinden sich erste Turbomaschinenstufen ST11, ST12, ST13, die das Prozessfluid PF bis zur Entnahme TAB verdichten. Stromabwärts der Entnahme TAB findet in der Turbomaschine TM, bevor das Prozessfluid PF die Abströmung EXT erreicht, eine Verdichtung mittels einer weiteren Turbomaschinenstufe, bezeichnet hier als zweite Turbomaschinenstufe ST21, statt. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl von ersten Turbomaschinenstufen ST11-ST1n und eine beliebige Anzahl von zweiten Turbomaschinenstufen ST21-ST2n vorgesehen werden, sofern es thermodynamisch sinnvoll und Rotordynamisch möglich ist.
Sowohl die Turbomaschinenstufen ST11-ST1n, ST21-ST2n als auch die Abströmung EXT sind in der 1 nur sehr vereinfacht schematisch dargestellt.
Ein Strömungsquerschnitt FCS der Entnahme TAB zwischen einem Diffusor TDF und einem stromabwärts des Diffusors TDF vorgesehenen Sammelraum TCL kann mittels eines hülsenförmigen Absperrelements SLV eines erfindungsgemäßen Regelorgangs TCR eingestellt werden.
Im Einzelnen ist das Regelorgan TCR mit angrenzenden Bauteilen in 2 als Ausschnitt der 1 schematisch dargestellt. Das Absperrelement SLV erstreckt sich ringförmig in Umfangsrichtung um die Achse X und ist in Axialrichtung beweglich, wobei eine Bewegung in eine erste Axialrichtung den Querschnitt FCS verkleinert und eine axiale Bewegung in die entgegengesetzte zweite Axialrichtung den Querschnitt ESC vergrößert. Auf diese Weise wird eine bedarfsgerechte Drosselung der Strömung des Prozessfluids PF von dem stromaufwärtigen Diffusor TDF in den stromabwärtigen Sammelraum TCL bewirkt, so dass ggf. mehr oder weniger Prozessfluid PF in die Entnahme TAB einströmt.
Auf diese Weise lässt sich das Verhältnis zwischen der Menge an Prozessfluid PF, das durch die Entnahme TAB strömt und der Menge an Prozessfluid PF, das durch die Abströmung EXT strömt, gezielt einstellen bzw. regeln. Dabei kann ein Eintrittsleitapparat IGV vor der zweiten Turbomaschinenstufe ST21 vorgesehen werden, so dass eine gezielte Anpassung der Strömungsverhältnisse vor Eintritt in die zweite Turbomaschinenstufe in Abhängigkeit von der Menge an zuströmenden Prozessfluid PF erfolgen kann.
Besonders bevorzugt regelt eine Reglungseinheit CR die Stellung des Regelorgangs TCR bzw. des Absperrelements SLV und gleichzeitig die Stellung des Eintrittsleitapparates IGV, falls dieses optionale Element vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine wirkungsgradoptimierte Anpassung der Stellung des Absperrelements SLV und ggf. der Stellung des Eintrittsleitapparates IGV erfolgen. Das hülsenartige Absperrelement SLV ist in der Axialposition beweglich, in dem es, wie es in den 3, 4, im Einzelnen dargestellt ist, um die Achse X mittels einer Antriebseinheit DRU gedreht wird. Die Antriebseinheit DRU greift tangential an dem Absperrelement SLV an und verdreht dieses in Umfangsrichtung, so dass eine Gewindeführung THG zwischen dem Absperrelement SLV und dem Gehäuse CAS zu einer Axialbewegung des Absperrelements SRV führt. Die Gewindeführung THG ist in dem konkreten Beispiel viergängig ausgeführt, wobei zwei Gewindegänge in dem Gehäuseunterteil CLP und zwei Gewindegänge in dem Gehäuseoberteil CUP vorgesehen sind. Das hülsenartige Absperrelement SLV ist in Umfangsrichtung in einer radialen Teilungsebene TFS geteilt ausgebildet. Das Gehäuseoberteil CUP kann ohne Teilung des Absperrelements SLV angehoben werden kann.

Claims

Turbomaschine (TM) zur Durchströmung mittels eines Prozessfluids (PF), insbesondere Turboverdichter, umfassend: – eine Zuströmung (INL) für das Prozessfluid (PF) in ein Gehäuse (CAS) der Turbomaschine (TM), – eine Abströmung (EXT) für das Prozessfluid (PF) aus dem Gehäuse (CAS), – eine Entnahme (TAB) für das Prozessfluid (PF) aus dem Gehäuse (CAS), wobei die Entnahme (TAB) hinsichtlich der Durchströmung der Turbomaschine (TM) durch das Prozessfluid (PF) stromabwärts der Zuströmung (INL) und stromaufwärts der Abströmung (EXT) angeordnet ist, – wobei die Turbomaschine (TM) einen sich entlang einer Achse (X) erstreckenden Rotor (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme (TAB) ein in das Gehäuse (CAS) integriertes Regelorgan (PCR) aufweist, mittels dessen ein durchströmter Querschnitt (FCS) der Entnahme (TAB) in dem Gehäuse (CAS) vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 1, wobei die Turbomaschine (TM) stromaufwärts der Entnahme (TAB) mindestens eine erste Turbomaschinenstufe (ST11-ST1n) und stromabwärts der Entnahme (TAB) mindestens eine zweite Turbomaschinenstufe (ST21-ST2n) aufweist.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Regelorgan (TCR) zwischen einem ringförmigen stromaufwärtigen Diffusorraum (TDF) und einem ringförmigen stromabwärtigen Sammelraum (TCL) angeordnet ist.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 3, wobei der ringförmige stromabwärtige Sammelraum (TCL) radial außen von dem Diffusorraum (TDF) angeordnet ist.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Regelorgan (TCR) als axial geführt bewegliches ringförmiges, sich um die Achse (X) erstreckendes Absperrelement (SLV) ausgebildet ist, das bei Bewegung in eine erste Axialrichtung den Querschnitt (FCS) der Entnahme (TAB) verkleinert und bei Bewegung in eine entgegengesetzte zweite Axialrichtung den Querschnitt (FCS) vergrößert.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 5, wobei das Absperrelement (SLV) in Umfangsrichtung drehbar im Gehäuse (CAS) gelagert ausgebildet ist und eine Gewindeführung (THG) zwischen dem Gehäuse (CAS) und dem Absperrelement (SLV) bei Drehung eine axiale Bewegung führt.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 6, wobei eine Antriebseinheit (DRU) zum Antrieb der Drehbewegung an dem Gehäuse (CAS) vorgesehen ist.
Turbomaschine (TM) nach Anspruch 7, wobei ein verstellbarer Leitapparat (IGV) für die zweiten Turbomaschinenstufen (ST21-ST2n) vorgesehen ist.
Turbomaschine (TM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Entnahme (TAB) für eine Entnahme von bis zu mindestens 50% des gesamten Stroms von Prozessfluid (PF) durch die Turbomaschine (TM) ausgebildet ist.
Turbomaschine (TM) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse (CAS) entlang einer axialen Teilfuge (TF) geteilt ausgebildet ist.