EP2304247A1 - Sammelraum und verfahren zur fertigung - Google Patents

Sammelraum und verfahren zur fertigung

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Publication number
EP2304247A1
EP2304247A1 EP09761361A EP09761361A EP2304247A1 EP 2304247 A1 EP2304247 A1 EP 2304247A1 EP 09761361 A EP09761361 A EP 09761361A EP 09761361 A EP09761361 A EP 09761361A EP 2304247 A1 EP2304247 A1 EP 2304247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
groove
cutter
collecting space
circumferential direction
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09761361A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Albrecht
Michael Jeske
Werner Jonen
Daniel Wentzel
Jan Weule
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102008025249A external-priority patent/DE102008025249A1/de
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP09761361A priority Critical patent/EP2304247A1/de
Publication of EP2304247A1 publication Critical patent/EP2304247A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the invention relates to a circumferentially alsweitender collecting chamber of a turbomachine which extends over at least a portion of the circumference of a machine axis, which collecting space is formed from at least one outer shell part and a contour insert, which contour insert one of the full milled in the circumferential direction extending at least laterally laterally limited groove having a groove bottom, which collecting space has a circumferentially extending first flow opening, which is formed substantially for axial flows, and at least one second flow opening, which is formed substantially for radial flows, wherein the groove has a first end in the circumferential direction and a second end in the circumferential direction, wherein the second end of the collecting space in the circumferential direction opens into the second flow opening.
  • Peripheral spaces of the above type are usually provided in turbomachines, such as turbines, expander or compressors in the region of the inflow or outflow. While the area of the rotating Strömungsleitkonturen, for example, the blades or the impeller are largely optimized in terms of flow, disproportionately high flow losses often take place in the surrounding areas. To counter this, the usually required 90 ° deflection in the region of an inflow or outflow was no longer designed as a simple radial inflow into an annular space, but as a preferably tangential inflow to a circumferentially tapered plenum, which also as spiral inflow or Spiral outflow is called formed.
  • This collecting space generally has an axially extending first flow opening in the circumferential direction and a second flow opening, which is designed for radial flows.
  • the compressed gas passes, for example, from the impeller into a radially oriented annular space and then into the collecting space regularly after a 90 ° deflection.
  • this collecting space is designed with a cross-section widening along the circumferential direction such that the cross-sectional maximum is in the region of a radial outflow or the second flow opening, where finally the entire outflowing or inflowing fluid collects to flow through.
  • this second flow opening is adjoined by a diffuser, which supplies the process gas, for example in the case of the compressor, to a further compressor stage, an intermediate cooling or another process.
  • DE 3040747 A1 shows a collecting chamber made of hard white cast iron of a round cross section, which widens in the circumferential direction.
  • the molded component is very expensive and creates a costly and unfavorable dependency of the machine manufacturer on the casting supplier.
  • the object of the invention to provide a plenum, which has in particular in the region of the second flow opening only low flow losses and yet is not cast construction.
  • the object is achieved by a collecting space with those listed in claim 1 features.
  • the invention solves the problem with the method for producing a groove in a contour insert according to claim 7.
  • the respective dependent claims contain advantageous developments of the invention.
  • the curved contour of the edge closing the groove in the circumferential direction provides in the case of the outflow for a more advantageous flow distribution and deflection of the moving in the circumferential direction fluid from the plenum in a radial flow direction, for example, a subsequent pipe. This applies to the case of the influx mutatis mutandis.
  • the edge may be bent so that it attaches to a flow contour of a subsequent component, such as a pipe, largely seamless.
  • a radial projection of the edge is round.
  • edge is concave.
  • Low flow losses in particular as a function of the subsequent flow-guiding component, can also provide an elliptical contour of the edge or it can be advantageous if at least one projection of the edge is of elliptical contour.
  • a projection of the edge that is tangential to the groove base may be round, elliptical or round in order to minimize the flow losses.
  • Particularly expedient for minimizing the flow losses is a bend of the edge, in particular in the region of the center of the groove.
  • the flow profile can be designed if at least one axial boundary contour of the groove forming the collecting space or a circumferentially extending edge of the groove is formed as a helix.
  • the axial extent of the groove can be used as a means for widening in the circumferential direction, so that despite an increasing volume flow, at least no increase in the velocity in the collecting space for outflow at a compressor or vice versa in a turbine or an expander.
  • a helix can also be used to form the groove over more than 360 ° of the circumference and in this way the radial outflow (in a compressor) or inflow of the flow influences To separate the first flow opening by this area is arranged axially adjacent to the narrowest region of the plenum, so considered in the initial direction overlaps with this.
  • the design can be superimposed as a helix and the design as a spiral to a spiral helix, so that the advantages of both training can be used.
  • a collecting chamber of the type according to the invention is produced by the method according to the invention, in which with the reaching of that end of the groove, which has a larger cross-section with respect to the other, a milling cutter axis about which the milling cutter rotates, moves from a more radial position to a more tangential position becomes.
  • the rotating circumference of the cutter works with a natural circular shape in such a way in the solid material of the contour insert, so that the desired curved edge of the boundary of the groove is achieved in Ümfangsraum.
  • Excellent results have been achieved in terms of minimizing the flow loss when the router is led out with the reaching of the second end of the groove with a tangential to the local groove base oriented cutter axis from the contour insert.
  • an advantageous development of the invention also provides that there is no direct connection between the incipient collecting space and the outlet from the collecting space into a subsequent discharge nozzle.
  • This in conventional configurations of the plenum usual connection, provides for asymmetries in the pressure curve, which cause forces on the impeller outlet and in this way the rotor shaft in the form of radial forces load, so that the shaft bearing radial bearings are charged higher.
  • Such a design of the outlet from the plenum in the radial direction in the discharge nozzle is particularly space-saving in the circumferential direction of the plenum, so that a slope of the helix of the plenum can turn out lower and thus also a smaller axial space requirement arises.
  • resulting from the radial outlet or the radial outlet of the pressure nozzle from a surrounding housing further advantages, especially in terms of strength and material requirements.
  • increasing the effective cutter diameter is desirable in that the cutter is guided on a path around a central axis that is parallel to the cutter axis during pivoting from the radial orientation to the more tangent orientation runs around a radius of eccentricity. This can be done such that the cutter axis describes a cylinder with one revolution of the circular motion. This cylinder can be a straight cylinder. The most fluid transitions are established as the radius of excentricity increases as the approach to the second end advances. In this case, a continuous increase can take place, e.g. monotonically increasing depending on the swivel angle or other parameter representing the approach to the second end.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a part of a single-stage compressor with a collecting space according to the invention
  • FIG. 2 shows a contour insert according to the invention in a side view
  • 3 shows a contour insert according to the invention in one
  • FIG. 4 shows a perspective view of a contour insert according to the invention
  • Figure 5 is an end view of the contour insert according to the invention and the orientation of a
  • Figure 6 is a perspective view of a contour insert according to the invention, in which the
  • Collecting space has a radial outlet
  • Figure 7 is a sectional view according to section VII of Figure 6 a detail of the contour insert in the region of the radial outlet.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through part of a compressor 1 with a collecting space 2 according to the invention, which extends in the circumferential direction about a machine axis 3.
  • the compressor 1 has a rotor 4, at one end of which an impeller 5 (compressor stage of a centrifugal compressor) is mounted, which forms a free end of the shaft of the rotor 4.
  • the impeller 5 is flowed axially by an inflow 6 from a fluid 7 and conveys the compressed fluid radially outward into an annular space 8. After a further 90 ° deflection 9, the fluid 7 flows from the annular space 8 into the collecting space 2, collects there and occurs in a manner not shown separately in a continuing diffuser 10 (in the circumferential direction shows darg Hor).
  • the collecting space 2 is formed by means of an outer shell part 21 and a contour insert 22.
  • the recess in the Shell part 21, in which the contour insert 22 is used, is a cylindrical bore.
  • the contour insert 22 is fitted into the shell part 21 in such a way that an enclosed space which forms the annular space 8 remains axially on the end face of the contour insert 22.
  • the variant of the contour insert 22 shown in Figure 1 differs from that shown in Figure 2 to 5 in that it is not made in one piece, but the front end a diffuser disc 11 is provided, which is secured by means of dowel screws on the contour insert 22.
  • the contour insert 22 shown in Figure 2 is cylindrical in the base body 23, wherein a shoulder 24 with a recess 25 on the shell part 21 corresponds such that an axial abutment provides for an exact axial alignment to include a space for the annulus 8.
  • the contour insert 22 is provided with a circumferential groove 26.
  • a groove base 27, which bounds the groove 26 radially inward, is in an end view, so viewed in the direction of the machine axis, spirally formed so that the groove 26 in depth starting from a first end 28 to a second end 29 in Extended cross-section.
  • the Sammelra ⁇ m 2 has a circumferentially extending first flow opening 30 into which the fluid 7 flows substantially axially after the 90 ° deflection 9.
  • a second flow opening 31 for a radial flow direction is the confluence with the diffuser 10.
  • the second flow opening 31 is located at the second end 29 of the collecting space 2 or the groove 26.
  • the groove 26 is, as clearly visible in FIGS. 3 and 4, delimited at the second end 29 by a curved edge 33 in the circumferential direction. In a radial projection, the curved edge 33 has a round shape.
  • the groove 26 and the groove bottom 27 has a first peripheral portion 61 which includes the first end of the groove 26 and has an adjacent second peripheral portion which includes the second end of the groove 26, which groove bottom 27 approaching to the second flow opening 31 has an increase in a concave in the axial direction curvature.
  • FIG. 5 also shows how according to the invention
  • the bent edge 33 is generated by means of a milling cutter 35 rotating around a cutter axis 35.
  • the milling cutter 36 dips into the contour insert 22 with cutter axis 35 aligned radially with respect to the machine axis 3 (eg milling cutter position 40).
  • the cutter 36 remains in the radial orientation of the cutter axis 35, up to a certain circumferential position in the vicinity of the second end 29 of the groove 26.
  • Figure 6 shows a particularly advantageous embodiment of the contour insert 22 in perspective, the second end 29 of the plenum 2 - in a compressor 1 so an outlet 50 from the plenum 2 - is formed in the radial direction to the machine axis 3.
  • the collecting space 2 extending upstream of the outlet 50 describes with respect to its radially inwardly pointing
  • Boundary contour a 90 ° turn beginning upstream in the circumferential direction and ending downstream in the radial direction.
  • the deflection describes here, at least in a section axially in the middle of the collecting space 2, as shown in Figure 7, essentially a shape with a constant radius, ie a circular segment shape.
  • FIG. 7 shows an outlet connection 51 of a housing 52, through which exit connection 51 a process fluid emerges from the collecting space 2 after deflection from the circumferential direction in the radial direction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen sich in Umfangsrichtung aufweitenden Sammelraum (2) einer Strömungsmaschine (Verdichter 1) bestehend aus zumindest einem äußeren Schalenteil (21) und einem Kontureinsatz (22), wobei der Kontureinsatz (22) mit einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nut (26), die bevorzugt als helikale Spirale ausgebildet ist, versehen ist. Der Kontureinsatz (22) ist erfindungsgemäß aus dem Vollen gefräst und ist an einem Ende in Umfangsrichtung von einer gebogenen Kante (33) begrenzt, so dass die Strömungsverluste beim Übergang von dem Sammelraum in einen nachfolgenden Diffusor (10) minimiert sind.

Description

Beschreibung
Sammelraum und Verfahren zur Fertigung
Die Erfindung betrifft einen sich in Umfangsrichtung aufweitender Sammelraum einer Strömungsmaschine der sich über zumindest einen Teil des Umfangs einer Maschinenachse erstreckt, welcher Sammelraum aus mindestens einem äußeren Schalenteil und einem Kontureinsatz gebildet ist, welcher Kontureinsatz eine aus dem vollen gefräste sich in Umfangsrichtung erstreckende zumindest einseitig seitlich begrenzte Nut mit einem Nutgrund aufweist, welcher Sammelraum eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung, die im Wesentlichen für axiale Strömungen ausgebildet ist, und mindestens eine zweite Strömungsöffnung aufweist, die im Wesentlichen für radiale Strömungen ausgebildet ist, wobei die Nut ein in Umfangsrichtung erstes Ende und ein in Umfangsrichtung zweites Ende aufweist, wobei das in Umfangsrichtung zweite Ende des Sammelraums in die zweite Strömungsöffnung mündet.
Umfangsräume der vorstehenden Art werden in der Regel bei Strömungsmaschinen, beispielsweise Turbinen, Expander oder Kompressoren im Bereich der Zuströmung oder der Abströmung vorgesehen. Während der Bereich der rotierenden Strömungsleitkonturen, beispielsweise der Laufschaufeln oder des Laufrads strömungstechnisch weitestgehend optimiert sind, finden in den umliegenden Bereichen häufig noch unverhältnismäßig hohe Strömungsverluste statt. Um dem zu begegnen, wurde bereits die in der Regel erforderliche 90° Umlenkung im Bereich einer Zuströmung oder Abströmung nicht mehr als einfache radiale Einströmung in einen Ringraum ausgebildet, sondern als bevorzugt tangentiale Zuströmung zu einem sich in Umfangsrichtung verjüngenden Sammelraum, der auch als Spiraleinströmung oder Spiralabströmung bezeichnet wird, ausgebildet. Einerseits bedingt durch die Größe und andererseits durch die nicht-rotationssymmetrische Form des Sammelraums sind die Voraussetzungen für eine spanende Bearbeitung dieses Bauteils ungünstig, so dass dieses Bauteil in der Regel als Gusskonstruktion gestaltet ist. Für diejenigen Baugrößen, bei denen das Vollmaterial für einen derartigen Sammelraum verfügbar ist, wurde dennoch eine Konstruktion zur spanabhebenden Herstellung vorgesehen, da die starke Abhängigkeit von Lieferanten für Gussteile einen großen wirtschaftlichen Nachteil darstellt. Derartige Konstruktionen sind in der Regel zweiteilig gestaltet, um Hinterschnitte bei der spanenden Bearbeitung zu vermeiden. Dementsprechend gibt es ein äußeres Schalenteil und einen inneren Kontureinsatz, der in das äußere Schalenteil eingesetzt wird und auf diese Weise einen von den beiden Bauteilen eingeschlossenen
Sammelraum bildet. Dieser Sammelraum weist in der Regel eine sich in Umfangsrichtung erstreckende axiale erste Strömungsöffnung auf und eine Zweite Strömungsöffnung, die für radiale Strömungen ausgelegt ist.
Bei einem Zentrifugalverdichter gelangt das verdichtete Gas beispielsweise aus dem Laufrad in einen radial ausgerichteten Ringraum und anschließend in den Sammelraum regelmäßig nach einer 90° Umlenkung. Zur Vermeidung von Turbolenzen ist dieser Sammelraum mit sich entlang der Umfangsrichtung aufweitendem Querschnitt derart gestaltet, dass sich das Querschnittsmaximum im Bereich einer radialen Abströmung bzw. der zweiten Strömungsöffnung befindet, wo sich schließlich das gesamte abströmende oder zuströmende Fluid zu Durchströmung sammelt. An diese Zweite Strömungsöffnung schließt sich in nahezu allen Fällen ein Diffusor an, der das Prozessgas beispielsweise im Falle des Verdichters zu einer weiteren Verdichterstufe, einer Zwischenkühlung oder einem anderen Prozess zuleitet. Beim Austritt aus dem Sammelraum in den Diffusor finden bei der gefrästen Konstruktion äußerst nachteilige Strömungsverluste statt. Aus den DE 1 291 943 B, FR 1300622 A, DE 3040747 Al, EP 1586745 Al, DE 19640647 Al, sind jeweils Strömungsmaschinen mit Sammelräumen bekannt. Die DE 3040747 Al zeigt einen Sammelraum aus hartem Weißguss runden Querschnitts, der sich im Umfangsrichtung aufweitet. Das gegossene Bauteil ist sehr aufwändig und erzeugt eine kostspielige und ungünstige Abhängigkeit des Maschinenherstellers von dem Gusslieferanten.
Ausgehend von der eingangs definierten Ausbildung eines
Sammelraums liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sammelraum zu schaffen, der insbesondere im Bereich der zweiten Strömungsöffnung nur geringe Strömungsverluste aufweist und dennoch keine Gusskonstruktion ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sammelraum mit denen im Anspruch 1 angeführten Merkmalen gelöst. Daneben löst die Erfindung die Aufgabe mit dem Verfahren zur Fertigung einer Nut in einem Kontureinsatz gemäß Anspruch 7. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die geometrischen Angaben radial, axial, Umfang und tangential beziehen sich, wenn nicht anders angegeben stets auf die Maschinenachse.
Die gebogene Kontur der die Nut in Umfangsrichtung abschließenden Kante sorgt im Fall der Abströmung für eine vorteilhaftere Strömungsverteilung und Umlenkung des sich in Umfangsrichtung bewegenden Fluids aus dem Sammelraum in eine radiale Strömungsrichtung, beispielsweise eines sich anschließenden Rohres. Dies gilt für den Fall der Zuströmung mutatis mutandis.
Zweckmäßig kann die Kante derart gebogen sein, dass sie sich an eine Strömungskontur eines nachfolgenden Bauteils, beispielsweise eines Rohres, weitestgehend übergangslos anfügt. Eine vorteilhafte Weiterbildung in diesem Zusammenhang sieht vor, dass eine Radialprojektion der Kante rund ist.
Zur Minimierung der Strömungsverluste ist es zweckmäßig, wenn die Kante konkav ausgebildet ist.
Niedrige Strömungsverluste, insbesondere in Abhängigkeit von dem sich anschließenden strömungsführenden Bauteil, kann auch eine elliptische Kontur der Kante erbringen bzw. kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest eine Projektion der Kante von elliptischer Kontur ist.
Gleichzeitig oder ausschließlich kann eine zum Nutgrund tangentiale Projektion der Kante rund elliptisch oder rund ausgebildet sein, um die Strömungsverluste zu minimieren.
Besonders zweckmäßig zur Minimierung der Strömungsverluste ist eine Biegung der Kante insbesondere im Bereich der Mitte der Nut.
Unter einer Biegung der Kante ist keineswegs eine nur fertigungstechnische Rundung gemeint, die sich nur in einem Fertigungsradius äußert sondern eine gezielte Einbringung der Rundung bevorzugt mittels eines Fräsers.
Besonders vorteilhaft kann der Strömungsverlauf gestaltet werden, wenn zumindest eine axiale Begrenzungskontur der den Sammelraum bildenden Nut oder einen in Umfangsrichtung verlaufende Kante der Nut als Helix ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die axiale Ausdehnung der Nut als Mittel zur Erweiterung in Umfangsrichtung genutzt werden, so dass trotz eines zunehmenden Volumenstroms zumindest keine Erhöhung der Geschwindigkeit in dem Sammelraum zur Abströmung hin bei einem Verdichter oder umgekehrt bei einer Turbine oder einem Expander erfolgt. Die Ausbildung einer Helix kann auch dazu genutzt werden, die Nut über mehr als 360° des Umfangs auszubilden und auf diese Weise die radiale Abströmung (bei einem Verdichter) oder Zuströmung von den Strömungseinflüssen der ersten Strömungsöffnung zu trennen, indem dieser Bereich axial neben dem schmälsten Bereich des Sammelraums angeordnet ist, sich also in ümfangsrichtung betrachtet mit diesem überschneidet .
Eine andere Möglichkeit, den Querschnitt der sich in Ümfangsrichtung erstreckenden Nut in Ümfangsrichtung aufzuweiten, liegt in der Gestaltung des Nutgrundes der Nut als Spirale.
Zweckmäßig kann die Gestaltung als Helix und die Gestaltung als Spirale zu einer Spiralhelix überlagert werden, so dass die Vorteile beider Ausbildungen genutzt werden.
Vorteilhaft ist ein Sammelraum der erfindungsgemäßen Art nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt, bei dem mit dem Erreichen desjenigen Endes der Nut, welches gegenüber dem anderen einen größeren Querschnitt besitzt, eine Fräserachse, um den der Fräser rotiert, von einer radialeren Stellung in eine tangentialere Stellung verlagert wird. Auf diese Weise arbeitet sich der rotierende Umfang des Fräsers mit einer naturgemäßen Kreisform derart in das Vollmaterial des Kontureinsatzes ein, so dass die gewünschte gebogene Kante der Begrenzung der Nut in Ümfangsrichtung erreicht wird. Hervorragende Ergebnisse wurden hinsichtlich der Minimierung des Strömungsverlustes erzielt, wenn der Fräser mit dem Erreichen des zweiten Endes der Nut mit einer tangential zu dem dortigen Nutgrund orientierten Fräserachse aus dem Kontureinsatz herausgeführt wird.
Zur Weiteren Minimierung der Strömungsverluste sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung außerdem vor, dass keine direkte Verbindung zwischen dem beginnenden Sammelraum und dem Austritt aus dem Sammelraum in einen nachfolgenden Druckstutzen besteht. Diese, bei herkömmlichen Ausbildungen des Sammelraums übliche Verbindung, sorgt für Unsymmetrien im Druckverlauf, die Kräfte auf den Laufradaustritt verursachen und auf diese Weise die Rotorwelle in Form von Radialkräften belasten, so dass auch die die Welle lagernden Radiallager höher belastet sind.
Damit es nicht zu einer ungebührlichen Verkleinerung des Winkelbereichs des sich in Umfangsrichtung erstreckenden Eintritts in den Sammelraum aus dem Laufrad kommt, welche auch negative Auswirkungen auf die Symmetrie der Druckverteilung am Laufradaustritt haben würde, ist es zweckmäßig, den Bereich des Austritts aus dem Sammelraum in den nachfolgenden Druckstutzen in Umfangsrichtung besonders kurz auszubilden, was durch eine weitere erfindungsgemäße Ausbildungsform erreicht wird, die vorsieht, dass der Austritt aus dem Sammelraum nicht tangential ausgebildet ist, sondern eine Umlenkung in Radialrichtung erfolgt. Eine derartige Ausbildung des Austritts aus dem Sammelraum in radialer Richtung in den Druckstutzen ist besonders platzsparend in Umfangsrichtung des Sammelraums, so dass eine Steigung der Helix des Sammelraums geringer ausfallen kann und damit auch ein geringerer axialer Raumbedarf entsteht. Zusätzlich ergeben sich durch den radialen Abgang bzw. den radialen Austritt des Druckstutzens aus einem umgebenden Gehäuse weitere Vorteile insbesondere hinsichtlich der Festigkeit und des Materialbedarfs.
Diese Vorteile des radialen Austritts aus dem Sammelraum, welches Merkmal auch in Alleinstellung, ohne die übrigen Merkmale der vorliegenden Erfindung, äußerst zweckmäßig ist, hat insbesondere für die Hochdruckanwendung (Austrittsdruck zwischen 700 bis 1200 bar) entscheidende Vorteile, im Einzelnen:
Abschirmung des Laufrades bzw. der Welle von rückgekoppelten Strömungs/Druckunsymmetrien aus dem Druckstutzen bzw. dessen Einlaufbereich,
Infolge des bevorzugt gefrästen Übergangs vom eckigen Sammelraum zum runden Druckstutzenaustrittsquerschnitt, der bereits im Sammelraum selbst stattfindet, vereinfacht sich der Druckstutzen, welcher nicht nur als Gussteil, sondern nunmehr auch als Drehteil (Kosten- und Lieferzeitvorteil) gefertigt werden kann, wobei auch die Schweißnahtvorbereitung des Druckstutzens durch Drehbearbeitung herstellbar ist.
Damit keine unerwünschte Düsenwirkung beim Austrit aus dem Diffuser eintritt, ist eine Vergrößerung des effektiven Fräserdurchmessers in der Weise zweckmäßig, dass der Fräser während des Verschwenkens von der radialeren Ausrichtung zu der tangentialeren Ausrichtung auf einer Bahn um eine Mittelachse geführt wird, die parallel zur Fräserachse beabstandet um einen Exzentrizitätsradius verläuft. Dies kann derart erfolgen, dass die Fräserachse mit einer Umdrehung der Kreisbewegung einen Zylinder beschreibt. Dieser Zylinder kann ein gerader Zylinder ist sein. Die strömungsgünstigsten Übergänge stellen sich ein, wenn der Exzentrizitätsradius mit fortschreitender Annäherung an das zweite Ende zunimmt. Hierbei kann eine kontinuierliche Zunahme erfolgen, z.B. monoton steigend in Abhängigkeit von dem Schwenkwinkel oder einem anderen Parameter, der die Annäherung an das zweite Ende wiedergibt.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Verdeutlichung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines einstufigen Verdichters mit einem erfindungsgemäßen Sammelraum,
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Kontureinsatz in einer Seitenansicht, Figur 3 einen erfindungsgemäßen Kontureinsatz in einer
Seitenansicht und gegenüber demjenigen der Figur 2 um 90° gedreht,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontureinsatzes,
Figur 5 eine Stirnseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Kontureinsatzes und der Orientierung eines
Schaftfräsers während einer erfindungsgemäßen Fertigung in verschiedenen Schritten,
Figur 6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kontureinsatzes, bei der der
Sammelraum einen radialen Austritt aufweist,
Figur 7 eine Schnittansicht gemäß Schnitt VII der Figur 6 eines Details des Kontureinsatzes im Bereich des radialen Austritts.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil eines Verdichters 1 mit einem erfindungsgemäßen Sammelraum 2, der sich in Umfangsrichtung um eine Maschinenachse 3 erstreckt. Der Verdichter 1 weist einen Rotor 4 auf, an dessen einen dargestellten Ende ein Laufrad 5 (Verdichterstufe eines Zentrifugalverdichters) angebracht ist, der ein freies Ende der Welle des Rotors 4 bildet. Der Laufrad 5 wird durch eine Zuströmung 6 von einem Fluid 7 axial angeströmt und fördert das verdichtete Fluid radial nach außen in einen Ringraum 8. Nach einer weiteren 90° -Umlenkung 9 strömt das Fluid 7 aus dem Ringraum 8 in den Sammelraum 2 ein, sammelt sich dort und tritt in nicht gesondert dargestellter Weise in eine weiterführenden Diffusor 10 (in Umfangsrichtung versetzt dargstellt) ein.
Der Sammelraum 2 wird mittels eines äußeren Schalenteils 21 und eines Kontureinsatzes 22 gebildet. Die Ausnehmung in dem Schalenteil 21, in welches der Kontureinsatz 22 eingesetzt wird, ist eine zylindrische Bohrung. Der Kontureinsatz 22 ist derart in das Schalenteil 21 eingepasst, dass axial stirnseitig des Kontureinsatzes 22 ein eingeschlossener Raum, der den Ringraum 8 bildet, verbleibt.
Die in Figur 1 dargestellte Variante des Kontureinsatzes 22 unterscheidet sich von demjenigen, der in Figur 2 bis 5 dargestellt ist dadurch, dass sie nicht einteilig ausgeführt ist, sondern stirnseitig abschließend eine Diffusorscheibe 11 vorgesehen ist, welche mittels Würgeschrauben an dem Kontureinsatz 22 befestigt ist.
Der in Figur 2 dargestellte Kontureinsatz 22 ist im Grundkörper 23 zylindrisch ausgebildet, wobei ein Absatz 24 mit einer Ausnehmung 25 am Schalenteil 21 derart korrespondiert, dass eine axiale Anlage für eine exakte Axialausrichtung unter Einschluss eines Raumes für den Ringraum 8 sorgt. Der Kontureinsatz 22 ist mit einer umlaufenden Nut 26 versehen. Ein Nutgrund 27, der die Nut 26 nach radial innen begrenzt, ist in stirnseitiger Ansicht, also betrachtet in Richtung der Maschinenachse, spiralförmig ausgebildet, so dass sich die Nut 26 in ihrer Tiefe beginnend von einem ersten Ende 28 hin zu einem zweiten Ende 29 im Querschnitt erweitert.
Wie in Figur 1 dargestellt, weist der Sammelraυm 2 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung 30 auf, in die das Fluid 7 nach der 90°-Umlenkung 9 im Wesentlichen axial einströmt. Eine Zweite Strömungsöffnung 31 für eine radiale Strömungsrichtung ist die Einmündung in den Diffusor 10. Die Zweite Strömungsöffnung 31 befindet sich an dem zweiten Ende 29 des Sammelraums 2 bzw. der Nut 26.
Wie auch in Figur 4 und Figur 3 deutlich zu erkennen, ist eine axiale Begrenzungskontur 32 der Nut 26, die eingangs des Kontureinsatzes 22 als sich in Umfangsrichtung erstreckender Absatz ausgebildet ist, als Helix gestaltet, so dass die Nut 26 bzw. der Nutgrund 27 eine helikale Spirale bildet. Die Nut 26 ist, wie in Figuren 3 und 4 deutlich erkennbar, an dem zweiten Ende 29 von einer gebogenen Kante 33 in Umfangsrichtung begrenzt. In einer Radialprojektion hat die gebogene Kante 33 eine runde Form.
Aus der Figur 5 ist ersichtlich, dass die Nut 26 bzw der Nutgrund 27 einen ersten Umfangsabschnitt 61 aufweist, der das erste Ende der Nut 26 umfasst und einen angrenzenden zweiten Umfangsabschnitt aufweist, der das zweite Ende der Nut 26 umfasst, welcher Nutgrund 27 mit Annäherung an die zweite Strömungsöffnung 31 eine Zunahme einer in axialer Richtung konkaven Wölbung aufweist.
Figur 5 zeigt außerdem, wie nach dem erfindungsgemäßen
Fertigungsverfahren die gebogene Kante 33 mittels eines um eine Fräserachse 35 rotierenden Fräsers 36 erzeugt wird. Eingangs bzw. im Bereich des ersten Endes der in Umfangsrichtung sich erstreckenden Nut 26 taucht der Fräser 36 mit radial zur Maschinenachse 3 ausgerichteten Fräserachse 35 in den Kontureinsatz 22 ein (z.B. Fräserposition 40) . Dem Umlauf der zu fertigenden Nut 26 folgend verbleibt der Fräser 36 in der Radialausrichtung der Fräserachse 35, bis zu einer bestimmten Umfangsposition in der Nähe des zweiten Endes 29 der Nut 26. An dieser Stelle beginnt unter weiteren Relativbewegung in Umfangsrichtung zwischen dem Kontureinsatz 22 und dem Fräser 36 die Fräserachse 35 von einer radialeren Ausrichtung zu einer tangentialeren Ausrichtung zu kippen, bis die Fräserachse 35 zu dem lokalen Nutgrund 27 parallel ausgerichtet ist, wobei sich der Fräser 36 nicht mehr weiter in Richtung der Maschinenachse 3 des Kontureinsatzes 22 in das zu fräsende Material senkt, sondern vielmehr geradlinig bzw. parallel zu der lokalen Tangente aus dem Werkstück mit zu dieser Tangente parallelen Fräserachse herausgeführt wird, so dass sich die runde Fräskontur als gebogene Kante 33 am zweiten Ende 29 der Nut 26 abbildet. In der Figur 5 zeigen die Fräserpositionen 40, 41, 42, 43 die Veränderung der Fräserachse 35 mit fortschreitender Relativbewegung in Umfangsrichtung .
Figur 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Kontureinsatzes 22 perspektivisch, wobei das zweite Ende 29 des Sammelraums 2 - bei einem Verdichter 1 also ein Austritt 50 aus dem Sammelraum 2 - in radialer Richtung zu der Maschinenachse 3 ausgebildet ist. Der sich stromaufwärts des Austritts 50 erstreckende Sammelraum 2 beschreibt hinsichtlich seiner radial nach innen weisenden
Begrenzungskontur eine 90°-Umlenkung beginnend stromaufwärts in Umfangsrichtung und endend stromabwärts in radialer Richtung. Die Umlenkung beschreibt hier zumindest in einem Schnitt axial mittig des Sammelraums 2, wie in Figur 7 dargestellt, im Wesentlichen einen Form mit konstantem Radius, also eine Kreissegmentform. Figur 7 zeigt einen Austrittsstutzen 51 eines Gehäuses 52, durch welchen Austrittsstutzen 51 ein Prozessfluid aus dem Sammelraum 2 nach Umlenkung von der Umfangsrichtung in radialer Richtung austritt. Gegenüber herkömmlicher tangentialer
Austrittsrichtung weist die radiale Austrittsrichtung des Austrittsstutzens 51 aus dem Gehäuse 52 verschiedene Vorteile auf, nämlich eine erhöhte Festigkeit, einen geringeren Bauraumbedarf und einen höheren Symmetriegrad der an dem Gehäuse 52 angreifenden Kräfte.
Bezugszeichenliste
1 Verdichterstufe
2 Sammelraum
3 Maschinenachse
4 Rotor
5 Laufrad
6 Zuströmung
7 Fluid
8 Ringraum
9 90° Umlenkung
10 Diffusor
11 Diffusorscheibe
21 Schalenteil
22 Kontureinsatz
23 Grundkörper
24 Absatz
25 Ausnehmung
26 Nut
27 Nutgrund
28 erstes Ende
29 zweites Ende
30 erste StrömungsÖffnung
31 zweite Strömungsöffnung
32 axiale Begrenzungskontur
33 gebogene Kante
35 Fräserachse
36 Fräser
40-43 Fräserposition
51 Druckstutzen
52 Gehäuse
61 erster Bereich
62 zweiter Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Sich in Umfangsrichtung aufweitender Sammelraum (2) einer Strömungsmaschine (Verdichter 1) , der sich über zumindest einen Teil des Umfangs einer Maschinenachse (3) erstreckt, welcher Sammelraum (2) aus mindestens einem äußeren Schalenteil (21) und einem Kontureinsatz (22) gebildet ist, welcher Kontureinsatz (22) eine aus dem vollen gefräste sich in Umfangsrichtung erstreckende zumindest einseitig seitlich begrenzte Nut (26) mit einem Nutgrund (27) aufweist, welcher Sammelraum (2) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende erste Strömungsöffnung (30), die im Wesentlichen für axiale Strömungen ausgebildet ist, und mindestens eine zweite Strömungsöffnung (31) aufweist, die im Wesentlichen für radiale Strömungen ausgebildet ist, wobei die Nut (26) ein in Umfangsrichtung erstes Ende (28) und ein in Umfangsrichtung zweites Ende (29) aufweist, wobei das in Umfangsrichtung zweite Ende (29) des Sammelraums (2) in die zweite Strömungsöffnung (31) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund (27) einen ersten Umfangsabschnitt (61) aufweist, der das erste Ende (28) umfasst und einen angrenzenden zweiten Umfangsabschnitt (62) aufweist, der das zweite Ende (29) umfasst, welcher Nutgrund (27) mit Annäherung an das zweite Ende (29) eine Zunahme einer in axialer Richtung konkaven Wölbung aufweist.
2. Sammelraum (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund (27) zumindest über den ersten Umfangsabschnitt (61) zumindest bereichsweise in axialer Richtung gerade ausgebildet ist.
3. Sammelraum nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nutgrund (27) in axiale Richtung zumindest bereichsweise oder vollständig über den zweiten Umfangsabschnitt elliptisch oder rund ausgebildet ist.
4. Sammelraum nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (26) am zweiten Ende (29) in Umfangsrichtung von einer gebogenen Kante (33) begrenzt ist, welche Kante (33) elliptisch ausgebildet ist.
5. Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine axiale Begrenzungskontur (32) der den Sammelraum (2) bildenden Nut (26) oder eine in
Umfangsrichtung verlaufende Kante (33) der Nut (26) als Helix ausgebildet ist.
6. Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Nutgrund (27) der Nut (26) spiralförmig ausgebildet ist.
7. Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am zweiten Ende (29) des Sammelraums (2) der Sammelraums (2) derart ausgebildet ist, dass eine Umlenkung eines den Sammelraum (2) durchströmenden Prozessfluids von einer zunächst in Umfangsrichtung zur Maschinenachse (3) verlaufenden Strömungsrichtung in eine in radiale Richtung verlaufende Strömungsrichtung erfolgt, so dass ohne wesentliche weitere Umlenkung ein radialer Austritt aus einem Gehäuse (52) durch einen Druckstutzen (51) erfolgen kann.
8. Sammelraum (2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt der Nut (26) in dem ersten Bereich rechteckig ist.
9. Verfahren zur Fertigung einer Nut (26) in einem Kontureinsatz (22) , welcher gemeinsam mit einem äußeren Schalenteil (21) einen sich zumindest über einen Teil eines Umfangs einer Maschinenachse (3) erstreckenden Sammelraum (2) für eine Strömungsmaschine (Verdichter 1) bildet, bei dem die Nut (26) mittels eines um eine Fräserachse (35) rotierenden Fräsers (36) in den Kontureinsatz (22) gefräst wird, wobei der Fräser (36) die Nut (26) von einem ersten Ende (28) des Sammelraums (2) bis zu einem zweiten Ende (29) des Sammelraums (2) fräst, dadurch gekennzeichnet, dass die Fräserachse (35) mit fortschreitender Annäherung an das zweite Ende (29) von einer radialeren Ausrichtung zu einer tangentialeren Ausrichtung geneigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Fräser (36) mit dem Erreichen des zweiten
Endes (29) der Nut (26) mit einer tangential zu dem dortigen Nutgrund (27) orientierten Fräserachse (35) aus dem Kontureinsatz (22) herausgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Fräser (36) während des Verschwenkens von der radialeren Ausrichtung zu der tangentialeren Ausrichtung auf einer Bahn um eine Mittelachse geführt wird, die parallel zur Fräserachse (35) beabstandet um einen Exzentrizitätsradius verläuft.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Fräser (36) während des Verschwenkens von der radialeren Ausrichtung zu der tangentialeren Ausrichtung in einer Kreisbahn derart geführt wird, dass die
Fräserachse (35) mit einer Umdrehung der Kreisbewegung einen Zylinder beschreibt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der beschriebene Zylinder ein gerader Zylinder ist.
14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der
Exzentrizitätsradius mit fortschreitender Annäherung an das zweite Ende (29) zunimmt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Fräser zumindest in einem ersten Bereich um die Fräserachse einer Stirnseite zum Fräsen einer ebenen Fläche bei ausschließlich zur Fräserachse (35) senkrechter Bewegung ausgebildet ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Fräser bei Annäherung an das zweite Ende (29) mit zunehmendem Abstand zu der Maschinenachse (3) geführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei der Fräser ein konischer oder zylindrischer Schaftfräser ist.
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