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Die Erfindung betrifft ein Einströmleitgitter einer Turbomaschine mit einem sich entlang einer Rotationsachse erstreckenden Schaufelringkanal zur Umlenkung eines Fluides aus einer zumindest teilweise radialen Zuströmung in den axialen Schaufelringkanal und zur Verteilung des Prozessfluids in einer Umfangsrichtung des Schaufelringkanals, wobei das Einströmleitgitter sich ringförmig um die Rotationsachse erstreckt, wobei das Einströmleitgitter Leitschaufeln umfasst, wobei die Leitschaufeln zu der jeweils in axialer Durchströmungsrichtung betrachtet in Umfangsrichtung in mathematisch negativer Richtung benachbarten Leitschaufeln in Umfangsrichtung einen Winkelabstand aufweisen. Daneben betrifft die Erfindung eine Einströmungsanordnung mit einem entsprechenden Einströmleitgitter bzw. eine Turbomaschine mit einer derartigen Einströmungsanordnung.
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Eine Turbomaschine mit einer Einströmungsanordnung bzw. einem Einströmleitgitter der eingangs definierten Art ist bereits aus der
DE102012216656-B3 bekannt.
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Herkömmliche Einströmleitgitter weisen verhältnismäßig hohe Strömungsverluste auf und sorgen nicht für eine optimale Anströmung des ringförmigen Schaufelkanals sowohl hinsichtlich der Strömungsausrichtung als auch hinsichtlich der Massenstromverteilung über den Umfang.
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Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein möglichst einfaches Einströmleitgitter zu schaffen, das das einströmende Prozessfluid über den Umfang gleichmäßig verteilt und für eine gleichmäßige Anströmung des ringförmigen Schaufelkanals sorgt.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe schlägt die Erfindung ein Einströmleitgitter gemäß Anspruch 1 vor sowie eine Einströmungsanordnung und eine Turbomaschine nach den rückbezogenen Unteransprüchen. Die weiteren Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Begriffe, wie axial, radial, tangential oder Umgangsrichtung beziehen sich stets auf eine Rotationsachse einer Turbomaschine, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.
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Die zumindest teilweise radiale Zuströmung ist bevorzugt im Wesentlichen radial oder auch schlicht als radial bezeichnet.
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Die bevorzugte Anwendung der Erfindung bezieht sich auf fest stehende Leitschaufeln eines Eintrittsleitgitters. Derartige Leitschaufeln sind in der Regel nicht verstellbar hinsichtlich des Anströmwinkels. Bevorzugt befinden sich die Leitschaufeln zumindest teilweise in einem Bereich der Umlenkung von radial nach axial eines ringförmigen Kanals der Einströmung. Bevorzugt folgt die Form der Leitschaufeln einer dementsprechenden Krümmung der Strömungsführung.
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Die Rotationsachse einer Turbomaschine ist gleichzeitig eine zentrale Erstreckungsachse eines Schaufelringkanals einer Turbomaschine bzw. eine zentrale Achse, um die sich das erfindungsgemäße Einströmleitgitter ringförmig erstreckt. Bei dem Schaufelringkanal kann es sich um eine Beschaufelung für eine im Wesentlichen axiale Durchströmung handeln als auch um eine Zusammenstellung von Impellern sowie entsprechenden Strömungsumleitungen bzw. Rückführstufen einer Radialmaschine. Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Einströmleitgitter sowohl für Verdichter als auch Expander geeignet und kann dementsprechend für Axialverdichter oder Radialverdichter sowie für expandierende Turbomaschinen, wie Dampfturbinen oder Gasturbinen verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Einströmleitgitters bzw. der erfindungsgemäßen Einströmungsanordnung für Turboverdichter, insbesondere für Turboverdichter der radialen Bauart bzw. Zentrifugalverdichter.
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Infolge der Umlenkung der Strömung aus der radialen Strömungsrichtung in eine im Wesentlichen axiale Strömungsrichtung weisen die Leitschaufeln des erfindungsgemäßen Einströmleitgitters eine komplexe dreidimensionale Geometrie auf, die auch in den entsprechenden Ausführungsbeispielen nur stark vereinfacht wiedergegeben wird. Das liegt auch daran, dass die Leitschaufeln sich bevorzugt in dem Bereich der Umlenkung von radial nach axial befinden. Eine Beabstandung zwischen den einzelnen Leitschaufeln in Umfangsrichtung ist daher zweckmäßig als Winkelabstand angegeben, der im Wesentlichen unabhängig von der Komplexität der jeweiligen Schaufelgeometrie angegeben werden kann. Hierbei ist es im Wesentlichen ohne besondere Bedeutung, welcher Referenzpunkt der einzelnen Leitschaufel für die Festlegung des Winkelabstandes zwischen benachbarten Leitschaufeln festgelegt wird, sofern entsprechende Konventionen für alle bezogenen Leitschaufeln angewendet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den jeweiligen Massenmittelpunkt als Referenz zu benutzen oder beispielsweise den Mittelpunkt der Längserstreckung der Eintrittskante oder den Schnittpunkt der Eintrittskante mit beispielsweise der Innenspur oder der Außenspur der entsprechenden Leitschaufel.
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Die Anspruchsdefinition nimmt darüber hinaus die der Konstruktion zugrundeliegende Durchströmungsrichtung des Einströmleitgitters in Bezug, die der Fachmann kennt, der mit einer Auslegung eines entsprechenden Gitters abhängig von einer strömungstechnischen Aufgabe befasst ist.
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Der erfindungsgemäß unterschiedliche Winkelabstand zwischen einzelnen Umfangspositionsgruppen von Leitschaufeln hat zur Folge, dass einerseits eine für die Umfangsposition individuellere Strömungsumlenkung stattfindet und andererseits Strömungsverluste minimiert werden. Die Minimierung der Strömungsverluste ergibt sich nicht nur aus der besseren Vorbereitung der Strömung auf den Eintritt in den ringförmigen Schaufelkanal sondern auch dadurch, dass unnötige Anhäufungen von Leitschaufeln, an Umfangspositionen, die eine entsprechende intensive Strömungsführung nicht benötigen, eingespart werden können. Dort, wo eine entsprechende Strömungsführung nicht notwendig ist, können nach der Erfindung Leitschaufeln fortgelassen, so dass Strömungsverluste dort zusätzlich minimiert werden. Synergetisch ergibt sich daraus auch eine Bauteileinsparung.
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Erfindungsgemäß können bis zu 30% der Leitschaufeln eingespart werden, bei gleichzeitig verbesserter Ausrichtung der Strömung auf den stromabwärtigen Schaufelringkanal.
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Eine weitere Optimierungsmöglichkeit ergibt sich dadurch, die Schaufelprofile der Leitschaufeln an ihre jeweils strömungstechnische Aufgabe in der entsprechenden Umfangsposition anzupassen. Andererseits ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung, die individualisierten Winkelabstände vorzusehen, damit eine ansonsten für die strömungstechnische Aufgabe individuelle Schaufelprofilanpassung weniger notwendig wird. Dementsprechend sieht eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Schaufelprofile der Leitschaufeln unterschiedlicher Umfangspositionsgruppen identisch ausgebildet sind. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht darüber hinaus vor, dass alle Umfangspositionsgruppen von Leitschaufeln identische Schaufelprofile aufweisen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass die Forderung nach entsprechenden Schaufelprofilen bzw. identischen Schaufelprofilen nicht gleichbedeutend ist, dass die entsprechenden Leitschaufeln zwingend zylindrisch ausgebildet werden und dementsprechend über ihre gesamte Höhenerstreckung hinweg ein identisches Schaufelprofil aufweisen. Dies ist für den Fachmann leicht erkennbar auch kaum möglich, da die Umlenkung von der radialen Strömungsrichtung in die axiale eine derartig zylindrische Formgebung wenig sinnvoll macht. Stattdessen kann in bekannter Weise ein Schaufelprofil über die Höhe bzw. die Höhenerstreckung einer entsprechenden Leitschaufel skaliert, gestreckt bzw. gestaucht werden, um die gewünschten Strömungseffekte zu erzielen. Dem Fachmann sind hierbei die zu verwendenden Gestaltungsmöglichkeiten des Skalierens, Streckens, Stauchens, Rotierens und des Versetzens der einzelnen aufeinandergestapelten Schaufelprofile bei der Gestaltung einer Leitschaufel wohl bekannt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Winkelabstand der Leitschaufeln von Umfangspositionsgruppe zu benachbarter Umfangspositionsgruppe mit Vergrößerung der Entfernung zu der radialen Zuströmung bis zu einem lokalen Minimum abnimmt. Dieser Gestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Bereich der Zuströmung eine geringere Notwendigkeit der Strömungsführung erforderlich ist als mit zunehmendem Abstand von der Zuströmung. Bei dem Abstand von der Zuströmung kann eine Entfernung in Umfangsrichtung von der Zuströmung angesetzt werden. Im Wesentlichen kann aber auch einfach die Länge einer graden Verbindung zwischen einem Referenzpunkt der Leitschaufel und einem zentralen Punkt der Zuströmung verwendet werden, da auch dieses Vorgehen zu dem gleichen Ergebnis führt.
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Eine zusätzliche Weiterbildung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass im Anschluss an das lokale Minimum des Winkelabstands, dieser sich im Wesentlichen, insbesondere unverändert, unter zunehmender Entfernung von dem ersten Umfangsbereich bis in einen zweiten Umfangsbereich, der dem ersten Umfangsbereich diametral gegenüberliegt, fortsetzt. Dementsprechend ist der Abstand zwischen den Leitschaufeln ausgehend von der Zuströmung bis zu dem am weitesten entfernten Punkt des Einströmleitgitters von der Zuströmung monoton fallend, aber nicht unbedingt streng monoton fallend. Eine andere Gestaltungsmöglichkeit sieht vor, dass der Abstand nach dem lokalen Minimum bis zu dem zweiten Umfangsbereich wieder ansteigend gestaltet ist bis zu einem lokalen Maximum bzw. einem abschließen Maximalwert, der nicht eine „Null-Steigung“ (im Sinne eines mathematischen lokalen Maximums einer stetig differenzierbaren Funktion - um die es sich hier nicht handelt) aufweisen muss.
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Besonders bevorzugt ist das Einströmleitgitter hinsichtlich einer radial-axialen Definitionsebene, die die Zuströmung in gleiche Umfangsanteile teilt, symmetrisch ausgebildet.
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Zusätzliche Strömungsoptimierung kann sich dadurch ergeben, dass die Krümmung des Schaufelprofils der Leitschaufeln mit Verkleinerung des jeweiligen Winkelabstands zunehmend gestaltet ist. Dementsprechend ist das Einströmleitgitter in Umfangsbereichen dort besonders dicht, bzw. mit besonders vielen Leitschaufeln pro Umfangsstrecke, ausgebildet, wo eine stärkere Umlenkung der Strömung stattfindet.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einströmung ein umgebendes Einströmgehäuse aufweist mit einer radialen Zuströmöffnung und einer axialen Abströmöffnung. Besonders zweckmäßig weist das Einströmgehäuse an der von der Zuströmöffnung distalen Seite eine nach radial innen vorstehende Strömungskontur auf.
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Die Erfindung eignet sich besonders für Turbomaschinen mit einem sich entlang der Rotationsachse erstreckenden Rotor.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Bezugnahme auf Zeichnungen zur Illustration und zum besseren Verständnis näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbomaschine mit einer Einströmungsanordnung umfassend ein erfindungsgemäßes Einströmleitgitter,
- 2 einen schematischen Querschnitt gemäß Schnitt II der 1 durch die Einströmungsanordnung,
- 3 eine schematische Darstellung zweiter unterschiedlicher Verläufe von Schaufelabständen nach der Erfindung.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt entlang einer Rotationsachse X durch eine Turbomaschine TM umfassend eine Einströmungsanordnung ILT mit einem Einströmleitgitter ILG nach der Erfindung. In 1 ist ein Querschnitt II-II ausgewiesen durch die Einströmungsanordnung ILT, der in 2 wiedergegeben ist. 3 zeigt zwei alternative Verteilungen von Winkelabständen GVD für Leitschaufeln IGV in erfindungsgemäßen Einströmleitgittern ILG.
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Bei einer der 1 und 2 Turbomaschine TM erstreckt sich ein Rotor ROT entlang einer Rotationsachse X. Der Rotor ROT trägt Laufschaufeln BLD oder Impeller IMP eines im Wesentlichen sich in axialer Durchströmungsrichtung erstreckenden Schaufelringkanals BCH. Der Schaufelringkanal BCH ist darüber hinaus zur Umwelt hin mittels eines Gehäuses CAS begrenzt.
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Bevor ein Prozessfluid PF den Schaufelringkanal BCH erreicht, tritt es durch eine Zuströmöffnung ILO einer Zuströmung IML einer Einströmungsanordnung ILT in ein Einströmgehäuse ILC umfassend ein Einströmleitgitter ILG in die Turbomaschine TM ein. Das Einströmleitgitter ILG umfasst Leitschaufeln IGV, die dabei unterstützen, das Prozessfluid PF, das in einer Durchströmungsrichtung PFV die Turbomaschine TM durchströmt aus einer im Wesentlichen radialen Durchströmungsrichtung PFV in eine im Wesentlichen axiale Durchströmungsrichtung PFV umzulenken. Gleichzeitig verteilen die Leitschaufeln IGV des Einströmleitgitters ILG das Prozessfluid PF im Wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung CD. Die Zuströmöffnung ILO befindet sich in einem ersten Umfangsbereich CD1 der Einströmungsanordnung ILT, so dass das Prozessfluid PF vor Eintritt in den Schaufelringkanal BCH mittels des Einströmleitgitters ILG gleichmäßig in Umfangsrichtung CD verteilt werden muss. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beispielsweise auch in einem zweiten Umfangsbereich CD2, der dem ersten Umfangsbereich CD1 diametral gegenüberliegt, das Prozessfluid in gleicher Weise den Schaufelringkanal BCH beaufschlagt, wie über dem sonstigen Umfang.
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Die 2 zeigt, dass die Leitschaufeln IGV des Einströmleitgitters ILG nicht gleichmäßig in Umfangsrichtung CD verteilt sind. Die Leitschaufeln IGV des sich ringförmig um die Rotationsachse X erstreckenden Einströmleitgitters ILG weisen jeweils in Durchströmungsrichtung PFV zu der jeweils stromaufwärts gelagerten Leitschaufel IGV Abstände auf, die unterschiedlich sein können. In anderen Worten ist ein Winkelabstand GVD der jeweils den Leitschaufeln IGV zugeordnet und derart definiert, dass zu der jeweils in axialer Durchströmungsrichtung PFV betrachtet in Umfangsrichtung CD in mathematisch negativer Richtung benachbarten Leitschaufel in Umfangsrichtung dieser Winkelabstand GVD gegeben ist. Jeweils benachbarte Leitschaufeln IGV mit gleichen Winkelabständen GVD sind einer Umfangspositionsgruppe CPG zusammengefasst zugeordnet. Dementsprechend unterscheiden sich benachbarte Umfangspositionen CPG von Leitschaufeln IGV durch den jeweiligen Winkelabstand GVD, wobei es grundsätzlich möglich ist, dass nicht benachbarte Umfangspositionsgruppen CPG identische Winkelabstände GVD aufweisen, aber unterschiedlichen Umfangspositionsgruppen CPG zugeordnet sind, weil die entsprechenden Leitschaufeln IGV nicht benachbart zueinander in dem Einströmleitgitter ILG angeordnet sind.
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Die Definitionen der Erfindung - so auch in 2 - beziehen sich hauptsächlich auf eine Hälfte des Einströmleitgitters ILG, weil besonders bevorzugt das Einströmleitgitter zu einer radial-axialen Definitionsebene ZXP, die die Zuströmung INL in gleiche Umfangsanteile aufteilt, symmetrisch ausgebildet ist. Die einzelnen Leitschaufeln IGV weisen jeweils ein Schaufelprofil VPR auf. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schaufelprofile VPR und damit auch die jeweiligen Profilkrümmungen VPB der einzelnen Leitschaufeln IGV identisch sind. Als Alternative gestrichelt in der 2 ist eine Individualisierung des Schaufelprofils VPR' wiedergegeben, mit einer individuellen von einer Umfangsposition abhängigen Profilkrümmung VPB'. Schematisch ist damit auch illustriert, dass unterschiedliche Leitschaufelanzahlen in unterschiedlichen Ausführungsformen denkbar sind und beispielsweise der Winkelabstand GVD zwischen den Leitschaufeln IGV bevorzugt dort besonders klein gewählt werden kann, wo eine Profilkrümmung VPB' eines individuellen Schaufelprofils VPR' stärker ausgeprägt ist. Hierdurch wird berücksichtigt, dass starke Umlenkungen mit kleineren Abständen und/oder stärkerer Krümmung verlustärmer erfolgen können.
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Aus Gründen der Reduzierung der Teilevielfalt ist es auch zweckmäßig, wenn alle Schaufelprofile VPR von Leitschaufeln IGV identisch ausgebildet sind bzw. besonders bevorzugt alle Leitschaufeln IGV identisch ausgebildet sind.
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3 zeigt die Verteilung von Winkelabständen GVD von Leitschaufeln IGV in Abhängigkeit von der Leitschaufelnummer #IGV, wobei die Leitschaufeln IGV ausgehend von der nächsten Leitschaufel IGV zu der Zuströmung INL aufsteigend nummeriert sind bis zu dem zweiten Umfangsbereichs CD2, der dem ersten Umfangsbereich CD1 diametral gegenüberliegt. Auch in 3 ist eine zu der Definitionsebene ZXP spiegelsymmetrische Ausbildung der Einströmungsanordnung ILT bzw. des Einströmleitgitters ILG vorausgesetzt. Eine erste Alternative AT1 der Verteilung der Winkelabstände GVD für eine Hälfte des Einströmleitgitters ILG sieht vor (jeweils in Winkelgrad): 60, 35, 25, 23, 21, 20, 25, (jeweils ± 3°). Eine zweite Verteilung AT2 sieht vor(jeweils in Winkelgrad): 60, 30, 30, 20, 20, 20, 20(jeweils ± 3°). Während die erste Möglichkeit AT1 im zweiten Umfangsbereich CD2 einen Anstieg des Winkelabstands GVD vorsieht, verbleibt die zweite Möglichkeit AT2 auch im zweiten Umfangsbereich CD2 auf dem Niveau eines lokalen Minimums von 20° konstant. Beide prinzipielle Verläufe haben sich als dem bisherigen Stand der Technik überlegen hinsichtlich der Minimierung von Strömungsverlusten erwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216656 B3 [0002]
