-
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinenvorrichtung mit wenigstens einer Turbomaschine, die wenigstens ein rotierbares Laufrad hat, und einem dem wenigstens einen Laufrad in Strömungsrichtung vorgeschalteten Tropfenabscheider zur Abscheidung flüssiger Bestandteile aus dem der Turbomaschinenvorrichtung zugeführten Gasstrom. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines Dralltropenabscheiders in Zusammenhang mit einer Turbomaschine sowie ein Verfahren zur Zuführung eines Gasstroms zu einer Turbomaschine, die wenigstens ein rotierbares Laufrad hat.
-
Bei der Auslegung von Turbomaschinen ist die Stoffzusammensetzung des der Turbomaschine zugeführten Gasstroms eine wichtige Einflussgröße. Bei gasförmigen Strömungen sind vor allem flüssige Bestandteile, z.B. in Form von Tröpfchen, eine Herausforderung. Diese können nicht nur zu Schäden an den Bestandteilen der Turbomaschine, insbesondere an den Lauf- und Leitschaufeln, führen, sondern auch stromabliegende Komponenten schädigen. In der Praxis wird daher ein großer Aufwand betrieben, um flüssige Bestandteile aus Gasströmungen in der Zuströmung von Turbomaschinen zu entfernen, z.B. durch Vorschaltung eines Tropfenabscheiders. Allerdings ist eine solche Vorschaltung eines Tropfenabscheiders mit Nachteilen verbunden, z.B. der Verursachung unerwünschter Druckverluste in der der Turbomaschine zugeführten Gasströmung sowie weitere unerwünschte Beeinflussungen der Gasströmung.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Turbomaschinenvorrichtung mit vorgeschaltetem Tropfenabscheider anzugeben, die solche Nachteile vermeidet.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Turbomaschinenvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Tropfenabscheider als Dralltropfenabscheider ausgebildet ist, durch den dem zugeführten Gasstrom ein Drall in Umfangsrichtung gegeben wird, wobei der durch Dralltropfenabscheider in Rotation versetzte Gasstrom dem wenigstens einen Laufrad zugeführt ist. Auf diese Weise werden die zuvor genannten Nachteile des vorgeschalteten Tropfenabscheiders vermieden und stattdessen vorteilhafte synergetische Effekte erzielt. Durch den Einsatz eines Dralltropfenabscheiders kann effizient die Flüssigkeit aus dem Gasstrom entzogen werden. Zusätzlich kann ein Vordrall für die Turbomaschine auf die Gasströmung eingeprägt werden. Der Drall kann in Rotationrichtung oder entgegen der Rotationsrichtung des wenigstens einen Laufrads erzeugt werden.
-
Bei bekannten Turbomaschinen wird z.T. ein zusätzliches Leitgitter bzw. Vorleitgitter (englisch IGV - Inlet Guide Vane) im kurzen Abstand vor dem Laufrad angeordnet. Ein solches Vorleitgitter ist dann häufig ein integraler Bestandteil der Turbomaschine. Wird einer solchen Anordnung dann ein Tropfenabscheider vorgeschaltet, tritt sowohl am Tropfenabscheider als auch am Vorleitgitter ein Druckverlust auf, zudem kann die Gasströmung durch den Tropfenabscheider auch anderweitig negativ beeinflusst werden. Dieser nachteilige Effekt kann erfindungsgemäß dadurch vermieden werden, dass der Dralltropfenabscheider selbst die Funktion eines solchen Vorleitgitters übernehmen kann, sodass die Turbomaschinenvorrichtung ohne ein der Turbomaschine vorgeschaltetes zusätzliches Vorleitgitter ausgebildet werden kann. Hierdurch werden nicht nur Bauteile eingespart, zusätzlich kann die Gasströmung effizienter geführt werden und damit die gesamte Turbomaschinenvorrichtung mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird dabei der Dralltropfenabscheider speziell auf den gewünschten Betriebsbereich der Turbomaschine abgestimmt, sodass durch den Dralltropfenabscheider der dem Gasstrom zugeführte Drall derart bemessen ist, dass er an der Turbomaschine bzw. an dessen wenigstens einem Laufrad in einer gewünschten Weise ankommt. Eine solche Abstimmung zwischen dem Dralltropfenabscheider und der Turbomaschine kann beispielsweise rechnerisch und/oder durch Simulationen erfolgen.
-
Ein solcher Dralltropfenabscheider bewirkt eine Flüssigkeitsabscheidung durch die Wirkung der Zentrifugalkraft in dem in Rotation versetzten Gasstrom. Solche Dralltropfenabscheider weisen eine Drallerzeugungseinrichtung auf, wie z.B. ein aerodynamisches Leitgitter, die die Gasströmung in Rotation (Drall) versetzt. Über eine gewisse Lauflänge der in Rotation versetzten Gasströmung stromabwärts der Drallerzeugungseinrichtung werden die in der Gasströmung enthaltenen flüssigen Tropfen aufgrund der Fliehkraft in radialer Richtung abgelenkt und somit aus der Hauptströmung abgeschieden.
-
In einem Dralltropfenabscheider wird die eintretende Gasströmung durch Abscheidung von Tropfen gereinigt. Für eine solche Phasentrennung wird der Gasstrom zunächst durch die Drallerzeugungseinrichtung geführt und dabei in Umfangsrichtung beschleunigt. Die Drallerzeugungseinrichtung kann z.B. räumlich gekrümmte Schaufeln haben, wodurch Eintrittsverluste und Strömungsablösungen der Gasströmung vermieden werden. Im anschließenden z.B. rohrförmigen Gasleitkanal bildet sich dann eine stabile und störungsfreie Drehströmung aus. Durch die Fliehkraft werden die Tropfen nach außen an die Rohrwand geschleudert und dort aufgefangen.
-
Dabei kann die Zuführung des Gasstroms in den Dralltropfenabscheider und/oder in die Drallerzeugungseinrichtung aus axialer, radialer und/oder tangentialer Richtung erfolgen. So kann insbesondere eine tangentiale Gaszuführung für eine effiziente Strömungsführung ohne Vorleitgitter genutzt werden. Auch eine Kombination mehrerer der genannten Strömungszuführungsarten ist vorteilhaft. Für die Zuführung des Gasstroms in den Dralltropfenabscheider und/oder in die Drallerzeugungseinrichtung kann die Turbomaschinenvorrichtung einen Gaszuführkanal haben, der dazu eingerichtet ist, den Gasstrom in den Dralltropfenabscheider und/oder in die Drallerzeugungseinrichtung aus axialer, radialer und/oder tangentialer Richtung zuzuführen.
-
Die Turbomaschine kann eine Turbomaschine beliebiger Art sein, z.B. eine Axialturbomaschine oder eine Radialturbomaschine. Die Turbomaschine kann insbesondere als Turboverdichter ausgebildet sein. Die Turbomaschine kann mit nur einem Laufrad oder mehreren hintereinander angeordneten Laufrädern (Rotoren) ausgebildet sein.
-
Die Erfindung eignet sich z.B. für den Einsatz der Turbomaschinenvorrichtung an einer Brennstoffzelle bzw. in einem Brennstoffzellensystem. Für den Betrieb einer Brennstoffzelle ist es in vielen Fällen erforderlich, flüssige Anteile, insbesondere flüssiges Wasser, aus der gasförmigen Hauptströmung abzuscheiden, bevor die Strömung erneut der Brennstoffzelle zugeführt wird. In einem solchen Gasströmungszweig des Brennstoffzellensystems kann beispielsweise die erfindungsgemäße Turbomaschinenvorrichtung eingesetzt werden.
-
Durch die Kombination des Dralltropfenabscheiders mit der Turbomaschine ergibt zusammengefasst sich der Vorteil einer kompakten Bauweise, der Reduktion der Anzahl der Komponenten im Gesamtsystem und bei sinnvoller Auslegung des Dralltropfenabscheiders bzw. von dessen Drallerzeugungseinrichtung eine sehr effiziente und druckverlustarme Turbomaschinenvorrichtung.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dralltropfenabscheider zugleich als Vorleitgitter der Turbomaschine ausgebildet ist. Dementsprechend erfüllt der Dralltropfenabscheider gleich zwei Funktionen, nämlich die gewünschte Tropfenabscheidung sowie die Leitfunktion der Gasströmung, für die ansonsten ein Vorleitgitter erforderlich wäre. Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschinenvorrichtung ist ein solches Vorleitgitter nicht mehr erforderlich, aber dennoch denkbar.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dralltropfenabscheider direkt mit der Turbomaschine als eine zusammengesetzte Vorrichtung bereitgestellt ist bzw. als ein integrales Bauteil ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass die aufeinander abgestimmten Komponenten Dralltropfenabscheider und Turbomaschine in einer vorbestimmten Art und Weise bereitgestellt werden, sodass der Einsatz für den Anwender vereinfacht wird. Insbesondere ist der Anwender nicht mit der Aufgabe belastet, eine geeignete Abstimmung zwischen dem Dralltropfenabscheider und der Turbomaschine durch geeignete Platzierung zu finden. Die Turbomaschinenvorrichtung kann dabei aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Dralltropfenabscheider wenigstens 10% oder wenigstens 30% des im Gasstrom enthaltenen Flüssigkeitsanteils mit einer Tröpfchengröße von wenigstens 5 µm abscheidbar ist. Je nach Ausführungsform des Dralltropfenabscheiders können auch noch höhere Abscheidungsgrade bei einer Tröpfchengröße von wenigstens 5 µm erreicht werden, z.B. wenigstens 50% oder wenigstens 70% oder nahezu 100%. Bei einer geringeren Tröpfchengröße kann der Abscheidegrad geringer sein. Durch eine Vergrößerung des axialen Abstands zwischen der Drallerzeugungseinrichtung und dem wenigstens einen Laufrad kann der Abscheidegrad angepasst werden. Bei größeren Tröpfchengrößen kann bei gleichbleibendem Abscheidungsgrad der axiale Abstand verringert werden, bei geringeren Tröpfchengrößen kann der axiale Abstand vergrößert werden.
-
Flüssigkeitsanteile mit einer sehr großen Tröpfchengröße werden zudem direkt an der Drallerzeugungseinrichtung abgeschieden, dass sie dort bereits auf die Gitterstruktur oder sonstige Leitstruktur der Drallerzeugungseinrichtung auftreffen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dralltropfenabscheider eine Drallerzeugungseinrichtung hat, die durch einen Zwischenraum vom wenigstens einen Laufrad beabstandet angeordnet ist. Durch geeignete Dimensionierung des Zwischenraums, insbesondere des Abstands zwischen der Drallerzeugungseinrichtung und dem Laufrad, kann bei der Auslegung der Turbomaschinenvorrichtung die Abscheiderate des Dralltropfenabscheiders sowie die Strömungseigenschaften der am wenigstens einen Laufrad ankommenden, in Rotation versetzten Gasströmung in gewünschter Weise definiert werden.
-
Die Drallerzeugungseinrichtung kann eine fest justierte oder eine verstellbare Drallerzeugungseinrichtung sein, ähnlich wie bei einem fest justierten oder einem verstellbaren Vorleitgitter. Die Drallerzeugungseinrichtung kann dann das Vorleitgitter der Turbomaschine bilden. Ist die Drallerzeugungseinrichtung verstellbar ausgebildet, dann kann sie zusätzlich zur Kennfelderweiterung der Turbomaschine eingesetzt werden, indem durch Verstellung der Drallerzeugungseinrichtung der Anströmwinkel des Laufrades auf den jeweiligen Betriebsbereich der Turbomaschine eingestellt wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dralltropfenabscheider einen in Strömungsrichtung hinter der Drallerzeugungseinrichtung und vor dem wenigstens einen Laufrad angeordneten Gasleitkanal hat, durch den der in Rotation versetzte Gasstrom geführt ist. Auf diese Weise wird der zugeführte Gasstrom im Wesentlichen verlustfrei der Turbomaschine zugeführt. Zudem bewirkt die Wand des Gasleitkanals, dass die durch die Trägheitskräfte radial nach außen hin abgelenkten Flüssigkeitstropfen daran prallen und entsprechend daran ablaufen können. Der Gasleitkanal kann rohrförmig ausgebildet sein, was unterschiedliche mögliche Querschnittsgeometrien der Rohrform einschließt, wie z.B. kreisrund, oval, mehreckig.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung hinter der Drallerzeugungseinrichtung und vor dem wenigstens einen Laufrad der Turbomaschine ein Flüssigkeitsführungskanal, ein Flüssigkeitsammelring, ein Flüssigkeitsablauf und/oder ein Flüssigkeitsauffangbehälter angeordnet ist, durch den aus dem in Rotation versetzten Gasstrom ausgeschiedene Flüssigkeit auffangbar und/oder abführbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die durch den Dralltropfenabscheider abgeschiedene Flüssigkeitsmenge in definierter Weise aus dem System abgeführt werden kann, nämlich durch den Flüssigkeitsführungskanal, Flüssigkeitsammelring, Flüssigkeitsablauf und/oder Flüssigkeitsauffangbehälter. Ein solcher Flüssigkeitsammelring zur Abführung des flüssigen Wassers kann wie ein sog. „Ported Shroud“ aufgebaut sein und verengt den Strömungsquerschnitt kurz vor Eintritt in das Laufrad, wodurch gleichzeitig das Kennfeld der Turbomaschine kontrolliert beeinflusst werden kann.
-
Der Flüssigkeitsführungskanal, Flüssigkeitsablauf und/oder Flüssigkeitsauffangbehälter kann im Bereich des Gasleitkanals angeordnet sein. Der Flüssigkeitsführungskanal kann z.B. als eine Wand des rohrförmigen Gasleitkanals oder eine in dieser Wand eingeformte Nut ausgebildet sein. Der Flüssigkeitsablauf kann als eine Ablauföffnung in dem rohrförmigen Gasleitkanal ausgebildet sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drallerzeugungseinrichtung in einem Abstand von dem wenigstens einen Laufrad angeordnet ist, der mehr als 50% oder mehr als 100% des Durchmessers der Drallerzeugungseinrichtung beträgt. Der Abstand kann auch mehr als 150%, 200% oder 250% des Durchmessers der Drallerzeugungseinrichtung betragen. Im Vergleich zur Anordnung eines bekannten Vorleitgitters einer Turbomaschine ist somit der axiale Abstand der Drallerzeugungseinrichtung vom Turboverdichter verhältnismäßig groß.
-
Durch diese große Lauflänge wird besonders effizient die Flüssigkeit aus der Gasströmung abgeschieden. Der Durchmesser der Drallerzeugungseinrichtung kann z.B. bei kreisförmiger Auslegung der Durchmesser der Strömungsfläche sein, die die Drallerzeugungseinrichtung dem durchtretenden Gasstrom bereitstellt. Bei nicht kreisförmiger Auslegung kann ein mittlerer Durchmesser der Strömungsfläche verwendet werden.
-
Es wurde herausgefunden, dass bereits ab einem Abstand von 50% des Durchmessers eine effektive Abscheidung von großen Tropfen möglich ist, z.B. mit einer Tröpfchengröße von wenigstens 5 µm. Eine solche Anordnung eignet sich z.B. für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem. Sinnvoll sind Baulängen einem Abstand bis ca. 300% des Durchmessers, um auch kleine Tropfen abscheiden zu können.
-
Allgemein gilt:
- · Je kleiner der Grenztropfendurchmesser ist, der abgeschieden werden soll, desto länger muss der Abstand zwischen der Drallerzeugungseinrichtung und der Turbomaschine sein.
- · Je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist, desto schlechter ist das Folgeverhalten der Tropfen in der Drallerzeugungseinrichtung und damit erfolgt ein größerer Anteil der Abscheidung in der Drallerzeugungseinrichtung.
- · Je kleiner die durch die Drallerzeugungseinrichtung aufgeprägte Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist der axiale Abstand zwischen der Drallerzeugungseinrichtung und Turbomaschine festzulegen.
-
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch die Verwendung eines Dralltropfenabscheiders als Tropfenabscheider zur Abscheidung flüssiger Bestandteile aus einem einer Turbomaschine zugeführten Gasstrom und als Vorleitgitter der Turbomaschine. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile erzielt werden.
-
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Zuführung eines Gasstroms zu einer Turbomaschine, die wenigstens ein rotierbares Laufrad hat, wobei durch einen der Turbomaschine in Strömungsrichtung des Gasstroms vorgeschalteten Dralltropfenabscheider dem zugeführten Gasstrom ein Drall in Umfangsrichtung gegeben wird und aus dem in Rotation versetzten Gasstrom vor Erreichen des wenigstens einen Laufrads Flüssigkeitsanteile in dem Dralltropfenabscheider abgeschieden werden und der durch den Dralltropfenabscheider in Rotation versetzte Gasstrom dem wenigstens einen Laufrad zugeführt wird. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile erzielt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der durch den Dralltropfenabscheider dem Gasstrom aufgeprägte Drall als Vordrall für das wenigstens eine Laufrad verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass bei korrekter Auslegung kein zusätzliches Vorleitgitter vor dem wenigstens einen Laufrad der Turbomaschine erforderlich ist.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 näher erläutert.
-
Die 1 zeigt eine Turbomaschinenvorrichtung 1, die einen Dralltropfenabscheider 6, 7, eine Turbomaschine 2 und einen Flüssigkeitsauffangbehälter 10 aufweist. Der Dralltropfenabscheider 6, 7 weist eine Drallerzeugungseinrichtung 6 und einen rohrförmigen Gasleitkanal 7 auf. Am rohrförmigen Gasleitkanal 7 können z.B. ein Flüssigkeitsführungskanal 8 und ein Flüssigkeitsablauf 9 angebracht sein. Die Turbomaschine 2 weist ein rotierbares Laufrad 3 auf.
-
Der Turbomaschinenvorrichtung 1 wird ein Gasstrom 4 zugeführt. Die 1 zeigt dabei beispielhaft eine axiale Zuführung des Gasstroms 4, es ist auch eine radiale oder tangentiale Zuführung des Gasstroms 4 möglich, oder eine Kombination aus mehreren dieser Strömungsrichtungen. An einer Ausgangsseite der Turbomaschinenvorrichtung 1 tritt ein Gasstrom 5 aus. Der zugeführte Gasstrom 4 wird zunächst durch die Drallerzeugungseinrichtung 6 geleitet. Die Drallerzeugungseinrichtung 6 prägt dem Gasstrom einschließlich der darin enthaltenen Flüssigkeitsanteile (Tropfen) einen Drall auf, sodass die in den rohrförmigen Gasleitkanal 7 geleitete Gasströmung in Rotation versetzt ist. Durch diese Rotation des Gasstroms wirken auf die darin enthaltenen Tropfen Trägheitskräfte. Aufgrund der Trägheitskräfte können die Tropfen der zur Turbomaschine 2 geführten Gasströmung nicht folgen und treffen auf die Wand des Gasleitkanals 7, auf denen die Tropfen einen Flüssigkeitsfilm bilden. Dieser Flüssigkeitsfilm wird über den Flüssigkeitsführungskanal 8 und/oder den Flüssigkeitsablauf 9 abgeführt und kann im Flüssigkeitsauffangbehälter 10 gesammelt werden oder auch direkt abgeführt werden. Am Gasleitkanal 7 können in einer praktischen Realisierung insbesondere auch mehrere über den Umfang verteilte Flüssigkeitsführungskanäle 8 vorhanden sein. Es kann auch ein sich ringförmig um den rohrförmigen Gasleitkanal 7 erstreckender Flüssigkeitssammelring zum Sammeln und Abführen der Flüssigkeit vorhanden sein.
-
An dem Laufrad 3 der Turbomaschine 2 kommt dann ein weitgehend von den Tropfen befreiter Gasstrom an, der zudem den gewünschten Vordrall bereits hat, der für einen effizienten Betrieb der Turbomaschine 2 erforderlich ist. In der Turbomaschine 2 wird der Gasstrom weiter verarbeitet, z.B. im Fall eines Turboverdichters verdichtet.
-
Man erkennt in der Darstellung der 1, dass die Drallerzeugungseinrichtung 6 in einem gewissen Abstand A, der sogenannten Abscheidedistanz, von der Turbomaschine 2 bzw. vom ersten Laufrad 3 angeordnet ist. Dieser Abstand A ist dabei in Abhängigkeit von weiteren Parametern wie z.B. der Tröpfchengröße und biometrischen Abmessungen der Turbomaschinenvorrichtung 1 festzulegen. Beispielsweise kann der Abstand A mehr als 50% oder mehr als 100% des Durchmessers der Drallerzeugungseinrichtung 6 betragen.
