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Die Erfindung betrifft einen Radialexpander.
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Bei Strömungsmaschinen kann grundsätzlich zwischen Expandern und Kompressoren unterschieden werden. Expander werden auch als Turbinen bezeichnet und dienen der Entspannung eines Prozessgases, um bei der Entspannung des Prozessgases Energie zu gewinnen. Kompressoren werden auch als Verdichter bezeichnet, um ein Prozessgas unter Einsatz von Energie zu verdichten. Die hier vorliegende Erfindung betrifft einen Expander, nämlich einen Radialexpander.
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Aus der Praxis bekannte Radialexpander verfügen über ein Gehäuse und ein im Gehäuse gelagertes Laufrad, wobei das Laufrad mehrere Schaufeln aufweist. Die Schaufeln des Laufrads definieren zusammen mit einer radial inneren Nabenkontur des Laufrads und einer radial äußeren Gehäusekontur des Gehäuses Strömungskanäle für das Prozessgas. In diese Strömungskanäle tritt in Radialrichtung oder im Wesentlichen in Radialrichtung zu entspannendes Prozessgas ein. Das entspannte Prozessgas tritt aus diesen Strömungskanälen in Axialrichtung oder im Wesentlichen in Axialrichtung aus.
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Um einen Radialexpander mit möglichst hohem Wirkungsgrad bereitzustellen, ist es wünschenswert, Sekundärströmungen in den Strömungskanälen zu reduzieren. Dies sorgt dann für eine bessere Durchströmung der Strömungskanäle. Ist dem Radialexpander eine Baugruppe zur weiteren Führung des entspannten Prozessgases, zum Beispiel ein Diffusor, nachgeordnet, so kann auch der Wirkungsgrad des Diffusors über die reduzierten Sekundärströmungen im Radialexpander erhöht werden.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Radialexpander mit reduzierten Sekundärströmungen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Radialexpander nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß weist die radial innere Nabenkontur des Laufrads zumindest an einigen Umfangspositionen im Meridionalschnitt gesehen einen Krümmungswechsel auf, derart, dass benachbart zu einer Strömungseintrittsseite des Laufrads die radial innere Nabenkontur im Meridionalschnitt gesehen nach radial außen und benachbart zu einer Strömungsaustrittsseite des Laufrads die radial innere Nabenkontur im Meridionalschnitt gesehen nach radial innen gewölbt ist. Mit der Erfindung kann ein Radialexpander bereitgestellt werden, bei welchem Sekundärströmungen, insbesondere Sekundärströmungen in Höhenrichtung und damit Radialrichtung der Strömungskanäle des Laufrads, reduziert werden können. Insbesondere kann die Durchströmung des Nabenbereichs verbessert werden. Der Radialexpander verfügt über einen erhöhten Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise ist der Krümmungswechsel der einzige Krümmungswechsel der radial-inneren Nabenkontur.
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Vorzugsweise liegt an denjenigen Umfangspositionen, an welchen die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt den Krümmungswechsel aufweist, der Krümmungswechsel in einem Bereich zwischen 5% und 45% der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur. Diese Konturierung der radial inneren Nabenkontur ist zur besseren Durchströmung des Nabenbereichs des Radialexpanders besonders bevorzugt, um so letztendlich den Wirkungsgrad des Radialexpanders zu erhöhen.
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Vorzugsweise liegt an denjenigen Umfangspositionen, an welchen die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, ein minimaler Krümmungsradius des nach radial innen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur zwischen 5% und 30%, bevorzugt zwischen 10% und 15%, der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur nach dem Krümmungswechsel. Auch dieses Merkmal dient der Verbesserung der Durchströmung des Nabenbereichs des Radialexpanders zur Erhöhung des Wirkungsgrads.
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Vorzugsweise ist an denjenigen Umfangspositionen, an welchen die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, ein Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius des nach radial außen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur und dem nabenseitigen Radius einer Strömungseintrittskante der Schaufeln größer als 1. Hiermit kann die Durchströmung, insbesondere des Nabenbereichs unter Vermeidung von Sekundärströmungen weiter verbessert werden.
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Vorzugsweise ist an denjenigen Umfangspositionen, an welchen die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, ein Verhältnis zwischen dem minimalen Krümmungsradius des nach radial innen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur und dem nabenseitigen Radius einer Strömungseintrittskante der Schaufeln kleiner als 2. Auch hiermit kann die Durchströmung des Nabenbereichs unter Vermeidung von Sekundärströmungen weiter verbessert werden.
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Nach einer ersten Alternative ist die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt gesehen in Umfangsrichtung unterschiedlich konturiert. Dann, wenn die Nabenkontur des Laufrads in Umfangsrichtung gesehen unterschiedlich konturiert ist, ist dieselbe umfangsasymmetrisch ausgeführt. Dabei ist dann vorzugsweise zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln jeweils ein nach radial außen in den Strömungskanal hinein gewölbter Berg und ein nach radial innen gewölbtes Tal ausgebildet, wobei hierdurch insbesondere der Ausbildung von Hufeisenwirbeln und Kanalwirbeln, welche jeweils Sekundärströmungsphänomene darstellen, effektiv entgegengewirkt werden kann. Mit der umfangsasymmetrischen Konturierung der Nabenkontur kann die Durchströmung der Strömungskanäle, insbesondere im Nabenbereich, noch weiter verbessert und der Wirkungsgrad des Radialexpanders noch weiter erhöht werden.
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Nach einer zweiten Alternative ist die radial innere Nabenkontur des Laufrads im Meridionalschnitt gesehen an allen Umfangspositionen gleich konturiert. Dann, wenn in Umfangsrichtung gesehen die innere Nabenkontur an allen Umfangspositionen gleich konturiert ist, ist die Nabenkontur umfangssymmetrisch ausgeführt.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: eine perspektivische Ansicht eines Radialexpanders;
- 2 einen Meridionalschnitt durch den Radialexpander,
- 3 mehrere Meridionalschnitte durch den Radialexpander zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln bei umfangsasymmetrischer Nabenkontur.
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Ein Radialexpander, der auch als Radialturbine bezeichnet werden kann, dient dem Entspannen von Prozessgas, um bei der Entspannung des Prozessgases Energie zu gewinnen.
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Ein Radialexpander verfügt über ein Gehäuse sowie über ein im Gehäuse drehbar gelagertes Laufrad.
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1 zeigt ein Laufrad 10 eines Radialexpanders, wobei das Laufrad 10 einen Nabenkörper 11 und mehrere am Nabenkörper 11 angreifende, in Umfangsrichtung U gesehen beabstandete Schaufeln 12 aufweist. Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Schaufeln 12 ist jeweils ein Strömungskanal 13 für das Prozessgas ausgebildet.
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Die Schaufeln 12 verfügen über Strömungseintrittskanten 14 sowie über Strömungsaustrittskanten 15. Im Bereich der Strömungseintrittskanten 14 tritt das zu entspannende Prozessgas in Radialrichtung R oder im Wesentlichen in Radialrichtung R in einen jeweiligen Strömungskanal 13 ein. Das entspannte Prozessgas tritt aus dem jeweiligen Strömungskanal 13 in Axialrichtung oder im Wesentlichen in Axialrichtung A aus.
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2 zeigt einen Meridionalschnitt durch das Laufrad 10, wobei die Erfindung die Konturierung der radial inneren Nabenkontur 16 des Laufrads 10 im Meridionalschnitt gesehen betrifft.
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In 2 ist weiterhin die radial äußere Gehäusekontur 17 des Radialexpanders sowie die Orientierung einer Strömungseintrittskante 14 und einer Strömungsaustrittskante 15 einer Schaufel 12 gezeigt.
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Gemäß 2 ist die Strömungseintrittskante 14 gegenüber der Axialrichtung A und der Radialrichtung R schräggestellt, derart, dass ein Schnittpunkt Si der Strömungseintrittskante 14 mit der Nabenkontur 16 auf einem Radius ri liegt, der kleiner ist als der Radius ra, auf welchem ein Schnittpunkt Sa der Strömungseintrittskante 14 mit der Gehäusekontur 17 liegt. Der Radius ri entspricht dem nabenseitigen Radius der Strömungseintrittskante 14.
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In 2 ist weiter gezeigt, dass ein Schnittpunkt Sx der Strömungsaustrittskante 15 mit der radial inneren Nabenkontur 16 einen kleineren Abstand in Axialrichtung A von den Schnittpunkten Si und Sa aufweist, als der Schnittpunkt Sy der Strömungsaustrittskante 15 mit der radial äußeren Gehäusekontur 17. In anderen Ausführungsformen kann der Schnittpunkt Sx der Strömungsaustrittskante 15 mit der radial inneren Nabenkontur 16 auch den gleichen oder einen größeren Abstand in Axialrichtung A von den Schnittpunkten Si und Sa aufweisen, als der Schnittpunkt Sy der Strömungsaustrittskante 15 mit der radial äußeren Gehäusekontur 17
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Ein solcher Radialexpander wird auch als Diagonalexpander bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist die radial innere Nabenkontur 16 des Laufrads 10 an einigen Umfangspositionen im Meridionalschnitt gesehen derart konturiert, dass die Nabenkontur 16 an diesen Umfangspositionen im Meridionalschnitt gesehen einen Krümmungswechsel aufweist, derart, dass benachbart zur Strömungseintrittsseite des Laufrads 10 bzw. Strömungseintrittskante 14 der Schaufeln 12 die radial innere Nabenkontur 16 im Meridionalschnitt gesehen nach radial außen und benachbart zur Strömungsaustrittsseite des Laufrads 10 bzw. Strömungsaustrittskante 15 der Schaufeln 12 im Meridionalschnitt gesehen nach radial innen gewölbt ist.
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Die radial innere Nabenkontur 16 weist dabei in Laufrichtung derselben zwischen den Schnittpunkten Si und Sx gesehen den Krümmungswechsel auf, wobei der Krümmungswechsel im Wendepunkt WP zwischen dem nach radial außen Abschnitt der Nabenkontur 16 und dem nach radial innen gewölbten Abschnitt der Kontur positioniert ist.
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Das nach radial außen Wölben der Nabenkontur 16 benachbart zur Strömungseintrittsseite des Laufrads 10 ist in 2 durch den Radius r1 visualisiert. Das nach radial innen Wölben der Nabenkontur 16 benachbart zur Strömungsaustrittsseite ist in 2 durch den Radius r2 visualisiert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass sich in Lauflänge bzw. Laufrichtung der Nabenkontur 16 gesehen ausgehend vom Schnittpunkt Si der Radius r1 ändert, ebenso ändert sich vom Wendepunkt WP aus gesehen in Richtung auf den Schnittpunkt Sx der Radius r2.
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An jeder Position der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur 16 kann ein individueller Radius r1 oder r2 vorhanden sein, wobei im Wendepunkt WP die radial innere Nabenkontur 16 nicht gewölbt ist, um den Krümmungswechsel bereitzustellen.
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An solchen Umfangspositionen des Laufrads 10, an welchen die Nabenkontur 16 im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, liegt der Wendepunkt WP und damit der Krümmungswechsel in einem Bereich zwischen 5 % und 45 % der Lauflänge der radialen Nabenkontur 16 zwischen dem Schnittpunkt Si und dem Schnittpunkt Sx, wobei der Schnittpunkt Si bei 0 % der Lauflänge und der Schnittpunkt Sx bei 100 % der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur 16 liegt.
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Ferner ist vorgesehen, dass an denjenigen Umfangspositionen des Laufrads 10, an welchen die radial innere Nabenkontur 16 im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, ein Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius r1 des nach radial außen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur 16 und dem nabenseitigen Radius ri des Schnittpunkts der Strömungseintrittskante 14 mit der Nabenkontur 16 größer als 1 ist. Es gilt: r1 / ri > 1.
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Ferner ist vorgesehen, dass an denjenigen Umfangspositionen des Laufrads 10, an welchen die radial innere Nabenkontur 16 im Meridionalschnitt gesehen den Krümmungswechsel aufweist, ein Verhältnis zwischen einem minimalen Krümmungsradius r2MIN des nach radial innen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur 16 und dem nabenseitigen Radius ri des Schnittpunkts der Strömungseintrittskante 14 mit der Nabenkontur 16 ist kleiner als 2. Es gilt: r2MIN / ri <2.
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Wie bereits ausgeführt, ist der Wendepunkt WP und damit der Krümmungswechsel zwischen der außen nach gewölbten Nabenkontur 16 und der nach radial innen gewölbten Nabenkontur 16 zwischen 5 % und 45 % der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur 16 positioniert. Wie ebenfalls bereits ausgeführt, ändert sich sowohl stromaufwärts des Wendepunkts WP als auch stromabwärts des Wendepunkts WP der jeweilige Krümmungsradius r1, r2 der Krümmung der Nabenkontur 16.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der minimale Krümmungsradius r2MIN stromabwärts des Wendepunkts WP, in welchem die Nabenkontur 16 nach radial innen gewölbt ist, zwischen 5 % und 30 % der Lauflänge nach dem Wendepunkt WP liegt.
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Wie bereits ausgeführt, weist die Nabenkontur 16 zumindest an einigen Umfangspositionen im Meridionalschnitt gesehen die obige Konturierung mit dem Krümmungswechsel auf. Nach einer Variante der Erfindung ist die radial innere Nabenkontur 16 des Laufrads 10 im Meridionalschnitt gesehen in Umfangsrichtung an allen Umfangspositionen identisch konturiert. Dies führt dann zu einer umfangssymmetrischen Konturierung der radial inneren Nabenkontur 16 in Umfangsrichtung.
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Nach einer zweiten Alternative der Erfindung ist die radial innere Nabenkontur 16 des Laufrads 10 im Meridionalschnitt gesehen in Umfangsrichtung unterschiedlich konturiert. Dies erfolgt vorzugsweise derart, dass zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln 12 die radial innere Nabenkontur 16 in ersten Meridionalschnitten gesehen den oben beschriebenen Krümmungswechsel und in zweiten Meridionalschnitten gesehen keinen Krümmungswechsel aufweist, und zwar mit jeweils in Umfangsrichtung sich ändernden Krümmungsradien, sodass zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln 12 an der radial inneren Nabenkontur 16 ein nach radial außen gewölbter Berg und ein nach innen gewölbtes Tal ausgebildet ist. In den Meridionalschnitten ohne Krümmungswechsel ist die die radial innere Nabenkontur 16 durchgehend nach radial innen gewölbt, und zwar mit einem sich in Laufrichtung ändernden Krümmungsradius. 3 zeigt mehrere radial innere Nabenkonturen 16 zwischen zwei Schaufeln 12 von in Umfangsrichtung beabstandeten Meridionalschnitten. An der Strömungseintrittsseite nach radial außen gewölbte Abschnitte der Nabenkontur 16 definieren den jeweiligen Berg, nach radial innen gewölbte Abschnitte der Nabenkontur 16 definieren das jeweilige Tal, wobei die Täler und Berge in Laufrichtung der radial inneren Nabenkontur 16 gesehen benachbart zur Strömungseintrittsseite ausgebildet sind.
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Dann, wenn sich in Umfangsrichtung gesehen die radial innere Nabenkontur 16 im Meridionalschnitt ändert, ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln das Verhältnis r1/ri zwischen dem Krümmungsradius r1 des nach radial außen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur 16 und dem nabenseitigen Radius ri der Strömungseintrittskante 14 der Schaufel 12 und/oder das Verhältnis r2/ri zwischen dem Krümmungsradius r2 des nach radial innen gewölbten Abschnitts der Nabenkontur 16 und dem nabenseitigen Radius ri der Strömungseintrittskante 14 der Schaufeln 12 verändert und/oder die Position des Krümmungswechsels und damit des Wendepunkts WP zwischen den Krümmungen entlang der Lauflänge der radial inneren Nabenkontur 16 jeweils um maximal 15 % verändert. In diesem Fall ist ferner vorgesehen, dass sich die radial innere Nabenkontur 16 des Laufrads 10 zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln 12 jeweils zyklisch wiederholt. Demnach ist zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln jeweils ein Berg und ein Tal benachbart zur Strömungseintrittsseite ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße Radialexpander, sei es mit umfangssymmetrisch konturierter Nabenkontur oder umfangsasymmetrisch konturierter Nabenkontur, verfügt über einen hohen Wirkungsgrad, da insbesondere Sekundärströmungen in Höhenrichtung der Strömungskanäle zwischen den Schaufeln 12 reduziert werden können. Insbesondere wird der Nabenbereich der Strömungskanäle 13 besser durchströmt. Insbesondere bei einem Radialexpander mit umfangsasymmetrisch konturierter Nabenkontur können Sekundärströmungsphänomene, wie Hufeisenwirbel und Kanalwirbel, reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laufrad
- 11
- Nabe
- 12
- Schaufel
- 13
- Strömungskanal
- 14
- Strömungseintrittskante
- 15
- Strömungsaustrittskante
- 16
- Nabenkontur
- 17
- Gehäusekontur
