DE19941323C2 - Polyphasische Turbomaschine mit verbesserter Phasendurchmischung und Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung vom Typ Turbomaschine, die dazu bestimmt ist, Energie eines polyphasischen Fluids zu liefern oder rückzugewinnen und insbesondere seine Druckänderung zu veranlassen. Diese Vorrichtung kann mit Mitteln ausgestattet sein, deren Funktion es ist, Vermischung der verschiedenen flüs­ sigen und gasförmigen, der Druckveränderung ausgesetzten Phasen, zu verbessern.

Anwendung findet sie insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf dem Gebiet des Pumpens eines polyphasischen Fluids, beispie­ lsweise eines diphasischen Erdölabstroms, der aus einem Gemisch aus Öl und Gas zusammengesetzt ist.

Anwendung finden kann sie auch in Entspannungsvorrichtungen für polyphasische Fluide unter Rückgewinnung mechanischer Arbeit.

Das Pumpen, jedoch auch die Entspannung eines polyphasischen Fluids, das wenigstens aus einer flüssigen Phase und einer gas­ förmigen Phase besteht, stellt schwierig zu lösende Probleme.

Im Falle der Kompression eines polyphasischen Fluids beispiels­ weise zeigt die Erfahrung, daß die Leistungen der klassischen Zentrifugalpumpen einbrechen, sobald der Gasanteil etliche Pro­ zent überschreitet. Die am besten angepaßten rotodynamischen klassischen Pumpen ermöglichen es nicht, Gasanteile von 20-25% zu überschreiten, ohne daß die Druckerhöhungen beachtlich sin­ ken. Die anderen Typen von Pumpen, wie beispielsweise die hin- und hergehenden volumetrischen Pumpen mit Schnecke, die Pumpen mit Strahleffekt, sind ebenfalls hinsichtlich ihrer Anwendungen und ihrer energetischen Wirkungsgrade begrenzt.

Verschiedene Pumpvorrichtungen wurden im Stand der Technik ent­ wickelt, um zu versuchen, die Leistungen der Pumpen zu verbes­ sern, die mit polyphasischer Strömung arbeiten.

Beispielsweise offenbaren die französischen Patentschriften FR 2.333.139, FR 2.471.051 und FR 2.665.224 hydraulische Zellen für Axialpumpen oder quasi Axialpumpen, welche Schaufel und Kanal­ geometrien zwischen den Schaufeln aufweisen, die für das Pumpen polyphasischer Fluide ausgelegt sind. Diese Zellen sorgen gleichzeitig für eine Begrenzung der Beschleunigungen sowie eine gute Homogenisierung des Fluids, und sind Elemente, die unerläß­ lich sind, wenn man gute Leistungen bei diphasischer Strömung erhalten will. Die Pumpen sind zusammengesetzt aus einer oder mehreren Zellen dieses Typs, die auf der Drehwelle in Stufen nacheinander montiert sind.

In der CH-PS-239147 sind Pumpen, Kompressoren und Gebläse als Beispiel für die dort behandelte Turbomaschine angeführt, bei der die Laufradströmungskanäle durch Trennwände, die Laufradfläche, welche die Trennwände trägt und die Deckfläche begrenzt sind. Es wird eine Erhöhung der Stufenleistung der Laufräder geschaffen.

In der DE 35 44 566 ist ein sich drehendes Laufrad für eine Zentrifugalpumpe in der Lage, wirksam Strömungsmittel zu pumpen, die eine Mischung von Gas, Dampf und Flüssigkeitskomponenten enthalten, z. B. Flugbenzin vermischt mit Luft- und Dampfblasen, die durch niedrigen Druck in der Brennstoffleitung erzeugt werden. Eine flüssige Strahlschicht nimmt die angesammelten gasförmigen Komponenten und die Dampfkomponenten auf, und die Turbulenz, die durch das Auftreten der Strahlschichten auf der Zwischenfläche erzeugt wurde, verursacht eine schnelle Wiedervermischung der gasförmigen und der flüssigen Komponenten, worauf die gasförmige Komponente in der flüssigen Komponente wieder gelöst wird, in Folge des Druckanstiegs über der Pumpe.

Die französische Patentschrift FR 2.743.113 beschreibt eine Vorrichtung, die Schaufeln umfaßt, die tandemartig angeordnet sind, um den Durchgang der flüssigen Phase von den Druckseiten zu den Saugseiten sicherzustellen und das Gemisch der flüssigen und gasförmigen Phasen in Höhe der Strömungskanäle zu verbes­ sern.

Die GB 2.287.288 zeigt ein Statorbeispiel für eine polyphasische Axialpumpe, die so ausgelegt ist, daß sie den Drehsinn der poly­ phasischen Strömung zwischen dem Austritt des Rotors und dem Eintritt des Stators verändern kann. Eine solche Ausbildung würde es ermöglichen, das Gemisch der flüssigen und gasförmigen Phasen zu verbessern.

Die US 5,628,616 beschreibt Impulsgeber bzw. Laufräder einer Pumpe vom semi-radialen oder "mixed-flow"-Typ, welcher Öffnungen umfaßt, welche die Rezirkulation der gasförmigen und flüssigen Phasen ermöglichen, um ihre Mischung sicherzustellen.

Die Veröffentlichung "Multiphase Boosting: Do we need this emerging Technology", vorgelegt im Juni 1995 im Rahmen der 7. Internationalen Konferenz "Multiphase 95" offenbart einen feuchten antirotativen Gaskompressor, welcher Impulsgeber bzw. Laufräder (impulseur) hat, die in entgegengesetzter Richtung und um ein und die glei­ che Achse derart drehen, daß das Gemisch der gasförmigen und flüssigen Phasen verbessert wird.

Die Erhöhung des Drucks bei polyphasischer Strömung, welche durch solche Vorrichtungen erhalten wird, erreicht beispiels­ weise 30-80% der Druckerhöhung, welche man mit einem monophasi­ schen Fluid erhalten würde, dessen Dichte gleich der mittleren Dichte des Gemisches wäre.

Der Erhalt guter Leistungen mit einer polyphasischen Pumpe stammt zum großen Teil aus ihrer Fähigkeit, innig die flüssige und gasförmige Phase zu vermischen. Im aktuellen Stand der Tech­ nik jedoch bleibt die polyphasische Strömung in den Zellen prak­ tisch parallel zu den Flächen der Beschauflungen des Gehäuses und zur Nabe der hydraulischen Zellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren, die dazu bestimmt sind, die Erhöhung der Druckgewinne oder Druckverminderungen zu verbessern, denen ein polyphasisches Fluid ausgesetzt ist. Die Vorrichtung ist ausgestattet mit einem oder mehreren mechanischen Mitteln, deren Funktion es ist, das Gemisch der flüssigen und gasförmigen Phase zu verbessern, wel­ che der Druckänderung ausgesetzt sind.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung wendet sich an alle Typen polyphasischer rotodynamischer Pumpen und allgemeiner an alle hydraulischen, polyphasischen Turbomaschinen, beispielsweise die feuchten Gaskompressoren oder die Turbinen im polyphasischen Betrieb.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, den Druck eines polyphasischen Fluids variieren zu lassen, das wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens eine gasförmige Phase umfaßt, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Gehäuse, wenigstens eine Nabe, eine Drehwelle sowie Mittel um­ faßt, die es ermöglichen, den Druck des Fluids (Impulsgeber bzw. Laufrad, Diffusor) zu variieren, wobei wenigstens eines dieser Mittel wenigstens zwei Schaufeln (6i, 6i + 1) umfaßt, die einen Strömungskanal für das polyphasische Fluid begrenzen.

Sie zeichnet sich dadurch aus, daß sie eines oder mehrere Mittel umfaßt, die im Inneren eines oder mehrerer Strömungskanäle an­ geordnet sind, wobei die Mittel so ausgelegt sind, daß sie einen turbulenten Wirbelstrom im Innern dieser Strömungskanäle derart erzeugen, daß die flüssigen und gasförmigen Phasen des polypha­ sischen Fluids vermischt werden.

Das oder die Mittel ermöglichen beispielsweise die Erzeugung einer einfachen oder doppelten Spiralströmung oder Vielfachströ­ mung im Inneren des oder der Strömungskanäle.

Die erzeugten Spiralen können einen Winkel α derart aufweisen, daß die Stärke der Strömung charakterisiert wird durch ein di­ mensionsloses Verhältnis S oder eine "Swirl number".

Wo u_i die Longitudinalkomponente der Geschwindigkeit u_x und u_y ihre Querkomponenten (in der Rotationsebene) sind und r_max der größte Wert von r = √x² + y² bei einem Wert S zwischen 0,3 und 0,8 und bevorzugt zwischen 0,5 und 0,75 ist; hierbei charak­ terisiert S die Rotationsintensität der Strömung und ist ins­ besondere definiert als das Verhältnis der Strömung des kineti­ schen Drehmoments zum Fluß der Größe der Längsbewegung.

Die Mittel können ein oder mehrere "Wülste" sein, die eine spi­ ralförmige Gestalt haben und spiralförmig auf den Wandungen wenigstens einer der Schaufeln und Nabe angeordnet sind.

Die Wülste sind beispielsweise im Inneren wenigstens eines Strö­ mungskanals eines oder mehrerer Impulsgeber und/oder Diffusoren angeordnet.

Die Höhe eines Wulstes liegt beispielsweise zwischen 1/5 und 1/10 der Breite des oder der Strömungskanäle, die Breite des oder der Strömungskanäle ist beispielsweise definiert durch die minimale Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schau­ feln.

Die Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, Energie einem polyphasi­ schen Fluid zu erteilen, zeichnet sich dadurch aus, daß die Mittel gebildet werden können durch eine oder mehrere Spiralnu­ ten, die auf einer der Wandungen ausgehöhlt sein können, die wenigstens einen Strömungskanal bilden und auf wenigstens einem Teil der Länge des Kanals angeordnet sind.

Die Nute(en) haben beispielsweise eine Tiefe zwischen 1/20 und 1/10 der Dicke einer der diesen Strömungskanal bildenden Schau­ feln. Die Spirale hat beispielsweise variable Steigung.

Die Steigung der Spirale nimmt beispielsweise in Hauptrichtung der Strömung des polyphasischen Fluids ab.

Die Nute(en) sind beispielsweise in Höhe wenigstens eines Im­ pulsgebers und/oder wenigstens eines Gleichrichters positio­ niert.

Die Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, Energie einem polyphasi­ schen Fluid zu erteilen, umfaßt beispielsweise eines der fol­ genden Elemente:
Ein verwundenes Band, eine Hilfsschaufel, die Elemente sind in einem oder mehreren der Strömungskanäle angeordnet.

Das Mittel ist beispielsweise ein verdrehtes Band, das benach­ bart dem Eintritt eines oder mehrerer Strömungskanäle angeordnet ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es, die Leistungen der Maschinen zu erweitern, die für die Kom­ pression oder die Entspannung eines polyphasischen Fluids ge­ eignet sind, und zwar in Richtung solcher, die man mit Hilfe monophasischer Maschinen erhält.

Im Falle einer monophasischen Pumpvorrichtung ermöglicht es die Spiralbewegung, die ein Fluid annehmen kann, den Druck zu erhö­ hen, der für jede Kompressionszelle geliefert wird und seine globalen Leistungen zu verbessern. Im Falle einer Anwendung auf eine Turbine führt dies zu einer Erhöhung der mechanischen Lei­ stung bei konstanter Entspannung.

Andere Vorteile und Charakteristiken der vorliegenden Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachstehenden Beschreibung eines nicht als begrenzenden Ausführungsbeispiels, wobei auf die Figu­ ren Bezug genommen wird. Diese zeigen in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Kompressions­ zelle nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 und 4 das Verhalten eines Fluids bei Strömung in den hydraulischen Zellen nach dem Stand der Technik;

Fig. 3A und 3B schematisieren zwei Varianten der Bewegung, die dem in Strömung befindlichen polyphasischen Fluid erteilt wurden und die

Fig. 5, 6, 7 und 8 zeigen verschiedene Mittel, die es ermög­ lichen, die Strömungsstruktur des Fluids einzugeben, um das Gemisch der gasförmigen und flüssigen Phase zu verbessern.

Zum besseren Verständnis von Vorrichtung und Verfahren nach der Erfindung befaßt sich die folgende nur der Erläuterung wegen nicht der Beschränkung wegen dienende Beschreibung mit einer Vorrichtung, die zur Kompression eines polyphasischen Fluids geeignet ist.

Die Erfindung besteht darin, die Wechselwirkung zwischen den Phasen zu begünstigen, indem man komplexere Strömungen als die im Stand der Technik im Inneren eines oder mehrerer Kanäle der Kompressionsvorrichtung erzeugt. Die Strömung kann eine einfache turbulente Wirbelströmung oder bevorzugt eine organisiertere Struktur haben oder sein. Solche Typen von Strömungen ermögli­ chen es insbesondere, die Länge des mittleren Weges der Fluid­ partikel und so die Wechselwirkung zwischen den flüssigen Phasen und den genannten gasförmigen Phasen zu erhöhen.

Die mechanische durch die Impulsgeber einer Pumpe gelieferte Arbeit setzt sich um in Energie im Fluid, insbesondere in En­ thalpie, proportional zum Massendurchsatz der Phasen und über­ trägt sich somit im wesentlichen auf die Phase oder auf die dichtere oder auf die dichteren Phase(n). In Abwesenheit von Wechselwirkungen zwischen den Phasen oder, wenn die Wechselwir­ kungen gering sind, wird die Druckerhöhung, die identisch zwi­ schen sämtlichen Phasen bleiben soll, hauptsächlich durch die gasförmige Phase fixiert. Die Überschußenthalpie der dichten Phasen stellt sich im wesentlichen als eine Beschleunigung die­ ser Phase mit einer korrelativen Verlangsamung der gasförmigen Phase dar. Um akzeptable Leistungen einer polyphasischen Pumpe zu erhalten, ist eine Übertragung von Energie und Bewegungsgröße zwischen den Flüssigkeiten und dem Gas notwendig.

Indem man das Gemisch der Phasen begünstigt, erleichtert man die Übertragung der Bewegungsgröße der flüssigen Phase zur gasförmi­ gen Phase und hieraus die Übertragung der dem polyphasischen Fluid erteilten Energie oder die Kompression des letzteren (oder Kompressionsgrad genannt).

Die in einem oder mehreren Kanälen erzeugte Bewegung kann ins­ besondere eine Strömung in Spiralform sein, wobei die Spirale mehr oder weniger komplex sein kann.

Fig. 1 zeigt perspektivisch ein nicht als begrenzend anzusehen­ des Beispiel eines Elements oder einer Zelle einer polyphasi­ schen Pumpe nach dem Stand der Technik, die einen Impulsgeber, im folgenden "Laufrad" genannt und einen Gleichrichter oder Diffusor, angeordnet in einem Gehäuse 1, umfaßt.

Das Laufrad 2 ist fest mit einer Nabe 4 verbunden, die ihrer­ seits fest bezüglich der Drehachse 5 ist, die während des Be­ triebs der Vorrichtung in Drehung in dem durch den Pfeil ange­ gebenen Richtung angetrieben wird.

Der Gleichrichter 3 ist fest bezüglich des Gehäuses 1 über übli­ cherweise vom Fachmann verwendete Mittel verbunden.

Das Laufrad umfaßt mehrere Beschaufelungen, Schaufeln oder Schaufelausbildungen 6i. Zwei aufeinanderfolgende Beschaufelun­ gen 6i, 6i + 1, das Gehäuse 1 und die Nabe 4 begrenzen einen Zir­ kulationskanal 7 oder einen Strömungskanal für das in Strömung befindliche polyphasische Fluid.

Der Pfeil gibt die Strömungsrichtung des polyphasischen Fluids im Inneren eines Kanals an.

Die geometrischen Charakteristiken der Schaufeln und/oder der Zirkulationskanäle für das Fluid können geometrische und dimen­ sionelle Charakteristiken aufweisen, wie sie beispielsweise in einer der vorgenannten Patentschriften der Anmelderin FR 2333139, FR 2471051 und FR 2665224 oder GB 2287288 beschrie­ ben sind.

Fig. 2 schematisiert ein sekundäres Strömungsdiagramm der Fluide in einem geraden Querschnitt der Kanäle, das sich in natürlicher Weise aufgrund der Drehung des Laufrads 2 einstellen kann.

In den Axialpumpen oder Quasi-Axialpumpen ist die vorwiegende Komponente der Drehgeschwindigkeit des polyphasischen Fluids parallel zur Rotationsachse. In den drehenden Teilen dieser Pumpen sind die Relativbeschleunigung des in den Kanälen zirku­ lierenden Fluids, und die durch die Rotation erzeugte Zentrifu­ galbeschleunigung in etwa ausgeglichen durch die komplementäre Coriolis-Beschleunigung, die durch das vektorielle Produkt 2 ∧ gegeben ist, wobei der Rotationsvektor des Rotors und die Relativgeschwindigkeit der Fluidpartikel bezüglich des Lauf­ rads sind. Diese komplementäre Beschleunigung wird gegen die Achse der Pumpe gerichtet, wenn man die üblichen Orientierungen von und betrachtet, was zur Erhöhung der Energie im Fluid führt.

Der exakte Abgleich zwischen den verschiedenen Komponenten der Radialbeschleunigung wird nur für eine besondere Geschwindigkeit erhalten, die eine Funktion des Winkels der Vektoren und ist, d. h. des lokalen mittleren Winkels des Kanals bezogen auf die Achse der Pumpe. Die für das Gleichgewicht sorgende Geschwindigkeit ist nicht notwendigerweise die gleiche längs des gesamten Kanals, die Winkelwerte der Schaufeln können in Werte­ bereichen, wie sie in den oben genannten Patenten gegeben sind, gewählt werden, um die Amplitude der Beschleunigungen zu begren­ zen.

Benachbart der Wandung der Beschaufelungen wird die Geschwindig­ keit des Fluids über die Dicke der Grenzschicht verlangsamt. Die komplementäre Coriolis-Beschleunigung wird vermindert und die resultierende Beschleunigung wird gegen das Gehäuse der Pumpe gerichtet, was ein hydrodynamisches Ungleichgewicht in der Ebene quer zu den Strömungskanälen einführt. Dieses komplementä­ re Phänomen sorgt für ein natürliches begrenztes Durchrühren der Strömung.

Der so erzeugte Rotationsgrad, dargestellt in Fig. 2, trägt dazu bei, das polyphasische Fluid zu homogenisieren, das Ungleichge­ wicht der Beschleunigung bleibt über eine relativ geringe Dicke der Grenzschicht begrenzt.

Mit dem hydraulischen Durchmesser Dh der Laufradkanäle, die gemäß den Lehren der vorgenannten Patentschriften realisiert wurden, und der zwischen 20 und 35 mm liegt, erreicht die rela­ tive mittlere Geschwindigkeit des Fluids, bezogen auf die Wandungen der Kanäle unter üblichen Benutzungsbedingungen dieser Pumpen, Geschwindigkeiten, die wenigstens größer als 50 bis 70 m/s sind. Die kinematische Viskosität der gepumpten Flüssigkei­ ten liegt beispielsweise zwischen 1 und 100 cStokes. Unter den gleichen Bedingungen kann der Fachmann, unter Benutzung der Grenzschichttheorie die Dicke der Verschiebung bestimmen, die der Zone entspricht, wo das Fluid durch das Vorhandensein der Wandung abgebremst wird und die in der Größenordnung von etli­ chen 10 Mikron bis zu 1 mm liegt.

Eines der Mittel, die verwendet werden, um die Überführung der Bewegungsgröße der flüssigen Phasen gegen die gasförmige Phase nach der Erfindung zu erhöhen, besteht darin, das Fluidvolumen zu erhöhen, das im Inneren der Kanäle in Drehung versetzt wird.

Es ist beispielsweise möglich, künstlich eine Rotation um die Hauptströmungsrichtung aufzuerlegen, damit die Fluidbahnen eine Spirale in einer mit dem Rotor verknüpften Markierung bilden. Verschiedene Ausführungsvarianten werden bezüglich der Fig. 3A und 3B gegeben sowie die Mittel, um zu diesen zu gelangen, und zwar in den Fig. 5 bis 8.

Die Fig. 3A und 3B schematisieren jeweils die Bewegung(en) in einfacher oder doppelter Spiralform, welche erhalten werden, indem man beispielsweise die vorgenannten mechanischen Mittel in einem oder mehreren Strömungskanälen verwendet, von denen etli­ che Beispiele in den Fig. 5 bis 8 beschrieben sind. Die An­ ordnung und die Wahl dieser Mittel sind Funktion des sicherzu­ stellenden Durchrührens des Fluids, um eine bessere Homogenität der gasförmigen und flüssigen Phasen und der physikalischen Natur des gepumpten polyphasischen Fluids zu erhalten.

Die einfache oder doppelte Spirale wird künstlich erhalten, indem man eine Drehung um die Hauptströmungsrichtung mit Hilfe der unten beschriebenen mechanischen Mittel erhält.

Fig. 3A schematisiert ein einfaches Spiralbeispiel, für den die Strömungsrichtung des Fluids in einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Impulsrads geht. Der Ausdruck einfache Spirale entspricht einer Spiralbewegung, die in einer einzigen Richtung im Inneren der Kanäle abläuft.

In gewissen Fällen wird zur Kompensierung der Erhöhung des ge­ ringeren Drucks aufgrund dieser Spiralbewegung die Wölbung der Schaufel konsequent erhöht.

In Fig. 3B hat man ein Beispiel schematisiert, wo es eine Erzeu­ gung von zwei Spiralen im Inneren ein und des gleichen Kanals gibt. Der Ausdruck doppelte Spirale beschreibt zwei spiralförmi­ ge Bewegungen, die im Inneren ein und des gleichen Strömungs­ kanals und in entgegengesetzter Richtung erzeugt wurden. Nach einer Ausführungsvariante in diesen Laufrädern ist die dem Fluid erteilte Bewegung bevorzugt vom Gehäuse in unmittelbarer Nach­ barschaft der Beschaufelungen 6i, 6i + 1 gegen die Mitte des Ka­ nals gerichtet, um die natürlichen Tendenzen auszunutzen, die durch die komplementäre Coriolis-Beschleunigung erzeugt wurden.

Die so gebildeten Fluidspiralen können variable Teilungen auf­ weisen, wobei die Teilungsveränderung gemäß der Strömungsachse des Fluids im Inneren des Kanals realisiert wird. Der Abstand zwischen zwei homologen Punkten der Spirale bzw. Schnecke ver­ mindert sich beispielsweise progressiv längs des Strömungska­ nals.

Fig. 4 schematisiert einen Längsschnitt durch ein Laufrad, das die Verteilung der gasförmigen und flüssigen Phasen sowie die Geschwindigkeiten zeigt, die aus dem Effekt der Zentrifugalkräf­ te resultieren. Die leichte gasförmige Phase G wird in der Mitte des Kanals und die flüssigen Phasen L an der Peripherie konzen­ triert. Diese Figur zeigt, daß die Konzentration der gasförmigen Phase von den Wandungen zur Mitte der Kanäle zunimmt. Dieses Phänomen trägt dazu bei, den Transfer von Energie und Bewegungs­ größe durch zwei Effekte zu begünstigen:

• - die Strömungsgeometrie ermöglicht es, die Wechselwirkungs­ fläche und damit die Transfers von Energie und Bewegungs­ größe zwischen den Phasen zu erhöhen, verglichen mit einer üblichen Strömung, die nur einen einsinnigen Gradienten der Querkonzentration aufweist,
• - der zentrale gasförmige Teil der Strömung neigt dazu, sich in Axialrichtung zusammenzuziehen, wenn die Rotation nicht zu schnell ist, was eine Verlangsamung des oder der peri­ pheren Flüssigkeiten und eine Beschleunigung des Gases, was dem nachgesuchten Effekt entspricht, mit sich bringt.

Die Intensität der Strömungsrotation kann charakterisiert werden durch das dimensionslose Verhältnis S, was üblicherweise als "Swirl number" bezeichnet wird:

wo u_l die Längskomponente der Geschwindigkeit, u_x und u_y ihre Transversalkomponenten (in der Rotationsebene) sind und r_max der größte Wert aus r = √x² + y² über dem geraden Quer­ schnitt ist, wobei die Integrale über einen geraden Transversal­ querschnitt des Kanals berechnet werden und der Ursprung der Achsen auf dem Baryzentrum des Querschnitts liegt.

Für den Fall, wo man eine Strömung in doppelter Spiralform rea­ lisiert, erfolgt die Berechnung von S über eine Hälfte des Tran­ sversalquerschnitts des Strömungskanals.

Dieses Verhältnis ohne Abmessung charakterisiert tatsächlich das Verhältnis des Flusses des kinetischen Moments zum Fluß der Größe der Längsbewegung.

Man versucht, mit einem Wert S zu arbeiten, der ausreichend groß ist, um die Länge der Wechselwirkung der flüssigen Phasen und der gasförmigen Phase zu erhöhen, jedoch nicht zu sehr, um zu verhindern, daß die Zentrifugalkräfte aufgrund dieser Rotation nicht die Phasen trennen und zu einem Effekt entgegengesetzt zu dem nachgesuchten führen. Hierzu werden die mechanischen im Inneren eines Strömungskanals angeordneten Mittel, von denen gewisse Beispiele zur Erläuterung in den Fig. 5 bis 8 gegeben sind, dimensioniert und im Strömungskanal derart angeordnet, daß der gewünschte Wert S erhalten wird.

Die Längskomponente der Geschwindigkeit u_l wird durch die nomina­ len Betriebsbedingungen der Pumpe festgelegt, abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit und ihren allgemeinen geometrischen Charakteristiken. Die Berechnung von u_l ist dem Fachmann bekannt und wird hier nicht erläutert.

Die Transversalkomponente der Rotation u_t = ist üblicherweise gleich Null oder von einem geringen Wert in den Pumpen, die den Stand der Technik repräsentieren. In den erfin­ dungsgemäß realisierten Vorrichtungen nimmt der Wert der Trans­ versalkomponente einen Wert ungleich Null an, der durch die mechanischen im Kanal angeordneten Mittel vorgegeben wird.

Um die besten Leistungen zu erhalten und am besten die spezifi­ schen Besonderheiten der vorliegenden Erfindung auszunutzen, werden die Geometrie sowie die Abmessung der mechanischen in den Kanälen positionierten Mittel gewählt, um Rotationsgeschwindig­ keiten einzubringen, die eine Rotationskomponente u_t haben, deren Wert derart ist, daß das vorstehend gegebene Verhältnis S in einem Intervall liegt, das zwischen 0,3 und 0,8 und bevorzugt zwischen 0,5 und 0,75 variiert.

Nach dem Stand der Technik ist die natürliche vorbeschriebene Spiralströmung charakterisiert durch die Werte von S, die sehr gering sind und erheblich unter 0,1 liegen.

Unter der Annahme, daß die Geschwindigkeiten u_t und u_l gleichför­ mig über dem berechneten Transversalquerschnitt sind, verein­ facht sich der Ausdruck S zu

wobei

wobei das Verhältnis u_t/u_l der Tangente des Winkels α der Spirale entspricht.

S ist also proportional zur Tangente des Spiralwinkels, der Wert des Proportionalitätsverhältnisses hängt ab von der Form des Querschnitts des Kanals und von der Strömungsverteilung im Ka­ nal.

Allgemein kann man die Tangente des Winkels definieren durch tg α ≅ k^*.S, wobei k: Proportionalitätsfaktor ist, der insbesondere von der Geometrie der Schaufeln und der Kanäle sowie von den Strömungscharakteristiken abhängt (Art, Geschwindigkeit der Strömung).

Der Wert von k kann experimentell durch Messungen der Geschwin­ digkeit oder durch Berechnung erhalten werden, indem man die Softwareströmungsberechnungswerkzeuge beispielsweise nach der Navier-Stockes-Theorie anwendet, dem Fachmann bekannt, oder durch irgend ein anderes Mittel, das auf dem technischen Gebiet verfügbar ist.

Bei Kenntnis des Werts von k für die Strömungskanäle eines Dif­ fusors oder eines Laufrads, bei der man wünscht, eine Strömung in Spiralform zu erzeugen (einfache oder doppelte Form) und unter Beachtung der zu erhaltenen Werte von S definiert man den Wert des Winkels α, den die Spirale besitzen soll.

Nimmt man einen Wert von k = 1,2 an und versucht man einen Wert für S zwischen 0,3 und 0,8 zu verifizieren, so definiert man eine Spirale mit einem Winkel derart, daß der Wert der Tangente wird zu 0,6 ≦ tgα ≦ 0,9 oder allgemeiner 0,35 ≦ tgα ≦ 1,0.

Die beschriebenen Vorrichtungen können so durch aufeinanderfol­ gende Annäherungen dimensioniert werden, indem man jedes Mal, experimentell oder durch Rechnung, den Wert des Proportionali­ tätsfaktors k, erhalten in Stufe i, bestimmt und indem man die Abmessungen in der Stufe i + 1 korrigiert, um den Winkel α oder die Zahl S im gewünschten Intervall zu erhalten.

Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsvariante der Vorrichtung nach der Erfindung, wo die zur Erzeugung einer Schraube oder einer Bewegung des Fluids in Schraubenform verwendeten Mittel gebildet sind durch einen Wulst 11, der spiralförmig auf einer der Wan­ dungen der Kanäle, bevorzugt auf der Nabe angeordnet ist und die Beschaufelungen zum Teil einen Strömungskanal begrenzen.

Dieser Wulst kann praktisch durch die Abscheidung einer Schweiß­ raupe auf der Nabe und auf den beiden Wandungen der Schaufeln, die den Strömungskanal des Fluids begrenzen, realisiert werden. Die Abmessungen des Wulstes und die Art (Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilen 11b, die auf der Nabe und auf den Wandungen angeordnet sind, Form des Wulstes für die drei Teile 11a, 11b, 11c (in der Figur nicht sichtbar), die aneinanderan­ grenzen, abgeschieden auf der ersten Schaufel, die Nabe und die zweite Schaufel), woraus er abgeschieden wird, sind derart, daß man eine Bewegung in Spiralform mit einem Winkel α erzeugt, der es ermöglicht, den gewünschten Wert S zu erhalten.

Die Höhe des Wulstes wird beispielsweise in einem Bereich von Werten zwischen 1/5 und 1/8 des Wertes der Breite des Strömungs­ kanals, in dem er abgeschieden ist, gewählt. Die Breite des Kanals wird definiert als die kleinste Entfernung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln und gemessen längs eines Kreisbo­ gens konzentrisch zur Rotationsachse der Pumpe beispielsweise.

Die Länge des Strömungskanals wird definiert als die Länge der mittleren Linie der Schaufeln oder Beschaufelungen, auch hier Krümmungs- oder Wölbungslinie genannt.

Der Wert der Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilen oder Bereichen des Wulstes, die auf der Nabe oder auf den Schau­ feln abgeschieden sind, kann wie vorher definiert, variabel sein.

Der Wulst kann nur auf einem Teil der Länge der Schaufeln und des zum Teil den Strömungskanal begrenzenden Mittels oder auf seiner Gesamtheit, in Strömungsrichtung des Fluids gesehen, abgeschieden sein.

Eine andere Ausführungsvariante besteht darin, Nuten (in den Figuren nicht dargestellt) in den vorgenannten Wandungen der Schaufel und der Nabe auszubilden.

In identischer Weise haben die Nuten definierte Dimensionen und eine Anordnung derart, daß die gewünschte Spiralströmung erzeugt und der Winkel α eingehalten wird.

Für die Nuten kann die Aushöhlung der Nuten zwischen 1/10 und 1/20 der Dicke der Wandung, in der sie sich befindet, variieren, wenn man den mechanischen Halt der Anordnung berücksichtigt. Die Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuten, die jeweils auf der Nabe oder den Schaufeln angeordnet sind, kann gewählt werden, um eine Spirale mit variabler Teilung zu erhalten. Die aneinanderliegenden Teile der Nuten in Höhe der Schaufeln und der Nabe beispielsweise sind derart, daß sie eine Spiralbewegung mit einem Winkel α zu erhalten gestatten, der es ermöglicht, den gewünschten Wert von S zu erhalten.

Die Verwendung der Nuten erscheint für sogenannte dicke Schau­ feln am besten angepaßt zu sein.

Der Beginn der so gebildeten Spirale befindet sich bevorzugt benachbart dem Eintritt des Kanals.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante, wo die Mittel gebildet werden durch eines oder mehrere spiralförmig verwundene Bänder 13, die im Inneren von ein oder mehreren Strömungskanälen an­ geordnet sind.

Bezeichnet man mit β den Torsionswinkel des Bandes, so wird der Wert β gewählt, um identisch mit dem Wert α zu sein, der den gewünschten Wert von S zu erhalten gestattet.

Die Länge des Bandes kann derart gewählt werden, daß er größer oder gleich der Länge entsprechend 1/4 der erzeugten Spiralwin­ dung ist.

Für den Fall, daß es nur ein Band im Kanal gibt, kann dieses beispielsweise benachbart dem Eintritt, in Strömungsrichtung des polyphasischen Fluids gesehen, angeordnet sein. Das Band hat eine Form und Geometrie derart, daß es sich über wenigstens einen Teil der Länge dieses Kanals erstreckt.

Solche spiralförmigen Bänder sind wirksam zur Erzeugung von sich drehenden Strömungen.

Diese Mittel sorgen dafür, daß das Fluid in einer einzigen Rich­ tung in Drehung versetzt wird. Diese Ausführungsvariante wird bevorzugt in den Statoren oder den sich drehenden Teilen der Kompressionsvorrichtung verwendet.

Um eine Strömung mit doppelter Rotation, wie in Fig. 3B be­ schrieben, zu realisieren, ist es möglich, so vorzugehen, daß man im Inneren des Strömungskanals ein Mittel, wie es in Fig. 7 beschrieben ist, anordnet.

Der Strömungskanal ist mit einer Umfangsbeschaufelung geringer Abmessung versehen, die in Höhe des Eintrittsquerschnittes an­ geordnet ist, dessen Transversalquerschnitt geeignet ist, um das Fluid nahe dem Gehäuse benachbart den Beschaufelungen und gegen die Mitte im zentralen Teil der Kanäle abzulenken. Diese Beschaufelung geringer Abmessung wird als Hilfsbeschaufelung bezeichnet.

Die Beschaufelung 14 kann wenigstens drei Teile 14a, 14b, 14c umfassen; die dem Gehäuse am weitesten benachbarten Teile 14a, 14c sind im wesentlichen gleich einem Viertel der Breite 1 zwi­ schen zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln 6 _i, 6 _i+1 und der Teil 13b gleich der Hälfte dieser Breite.

Die den Teilen 14a und 14c gegebene Form und Abmessung ist der­ art, daß die Ablenkung des im Strömungsvorgang befindlichen Fluids beispielsweise zum Gehäuse hin erfolgt, während die dem Teil 14b gegebene Form es ermöglicht, das Fluid gegen die Nabe abzulenken.

Auf diese Weise erzeugt man die beiden Schrauben mit einer umge­ kehrten Strömungsrichtung im Inneren ein und des gleichen Strö­ mungskanals.

Die Ablenkung des Fluids entspricht der Richtungsänderung des Fluids zwischen der Strömungsrichtung, die es im Inneren des Strömungskanals besitzt und der Richtung, die es am Ende der vorgenannten Teile der Schaufel besitzt.

Eine andere Ausführungsvariante der Vorrichtung nach der Erfin­ dung ist in Fig. 8 beschrieben. Nach diesem Beispiel sind Schau­ feln 15, sogenannte "Zwischenschaufeln", die insbesondere als Besonderheit haben, daß sie kürzer als die Hauptschaufeln sind, beispielsweise im vorderen Drittel der Länge des Strömungskanals angeordnet und besitzen ein Schlankheitsverhältnis von Länge zu Höhe von etwa 1, das kleiner als 1 sein kann.

Diese Schaufeln weisen einen profilierten Transversalquerschnitt an der Anströmkante, jedoch nicht an der Abströmkante auf, Sol­ che Schaufeln werden gewöhnlich vom Fachmann verwendet, um eine erhebliche Turbulenz zu erreichen.

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist es möglich, im Inneren einer oder mehrerer Strömungskanäle irgendein physikali­ sches Mittel anzuordnen, dessen Funktion es ist, künstlich die Strömung zu durchrühren. Die Mittel können eine mehr oder weni­ ger komplexe Form aufweisen und können im vorderen Teil des Strömungskanals beispielsweise angeordnet sein (betrachtet wird immer die Strömungsrichtung des polyphasischen Fluids).

Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, können sämtliche für die Laufräder gegebenen Ausführungsvarianten anwendbar gemacht werden auf Gleichrichter oder feste Statorteile der hydrauli­ schen Zellen.

Claims (11)

1. Axial durchflossene Turbomaschine, die den Druck eines polyphasischen Fluids, das wenigstens eine flüssige Phase und wenigstens eine gasförmige Phase umfaßt, zwischen Ein- und Austritt erhöhend oder vermindernd ausbildet, wobei die axial durchflossene Turbomaschine ein Gehäuse (1), eine Nabe (4), eine Rotationswelle (5), ein Laufrad (2) wenigstens zwei Schaufeln (6i, 6i + 1) und einen Gleichrichter/Diffusor (3) als Stator umfaßt, wobei im inneren eines oder mehrerer Strömungskanäle (7) des Laufrades (2) Wülste (11a, 11b) oder Nuten oder verwundenen Bänder (13) oder Zwischenschaufeln (15) angeordnet sind, die eine einfache oder doppelte oder auch mehrfache Spiralströmung im Inneren der Strömungskanäle erzeugen, und wobei die erzeugte(n) Spirale(n) einen Winkel α derart aufweisen, daß die Strömungsstärke charakterisiert ist durch ein dimensionsloses Verhältnis S ("Swirl number")
wo u_l die Längskomponente der Geschwindigkeit, u_x und u_y ihre Transversalkomponenten (in Rotationsebene) sind und r_max der größte Wert von r = √x² + y² bei einem Wert S zwischen 0,3 und 0,8 und bevorzugt zwischen 0,5 und 0,75 ist.

2. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 1, so daß Wülste (11a, 11b) mit einer Spiralform und spiralförmig auf den Wandungen wenigstens einer der Schaufeln und der Nabe angeordnet sind.

3. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wülste im Inneren wenigstens eines Strömungskanals (7) eines oder mehrerer Laufräder (2) und Diffusoren (3) angeordnet sind.

4. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 2 oder 3, so daß die Höhe des Wulstes zwischen 1/5 und 1/10 der Breite des oder der Strömungskanäle beträgt.

5. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 1, so dass die Nuten (13) mit einer Spiralform und spiralförmig auf den Wandungen wenigstens einer der Schaufeln und der Nabe angeordnet sind.

6. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 5, so daß die Nuten eine Tiefe zwischen 1/20 und 1/10 der Dicke einer der Schaufeln (6 _i, 6 _i+1), die einen Strömungskanal (7) bilden, aufweist.

7. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 5 oder 6, so daß die Nuten in Höhe wenigstens eines Laufrads und wenigstens eines Gleichrichters positioniert sind.

8. Axial durchflossene Turbomaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, so daß diese spiralförmige Form von variabler Teilung ist.

9. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 8, so daß die variable Teilung derart variiert, daß die Teilung progressiv vermindert wird, um die kinetische Translationsenergie der flüssigen Phase oder der flüssigen Phasen in Rotationsenergie umzuformen und so ihre Strömungsgeschwindigkeit in Längsrichtung zu reduzieren.

10. Axial durchflossene Turbomaschine nach Anspruch 1, so daß dieses verwundene Band (13) benachbart dem Eintritt eines oder mehrerer Strömungskanäle angeordnet ist.

11. Verwendung der axial durchflossene Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für das Pumpen eines polyphasischen Fluids.