EP2773854B1

EP2773854B1 - Strömungsmaschine

Info

Publication number: EP2773854B1
Application number: EP12781313.7A
Authority: EP
Inventors: Frank Eckert
Original assignee: Duerr Cyplan Ltd
Current assignee: Duerr Cyplan Ltd
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: HRP20170078T1; US9982539B2; WO2013064674A2; EP2773854A2; WO2013064674A3; US20140234094A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Gehäuse, das einen Gehäusekanal für das Ein- oder Ausströmen von Arbeitsmedium hat, und mit einem drehbar um eine Rotationsachse angeordneten Laufrad, das eine Vielzahl von Laufradschaufeln aufweist, die Laufradschaufelkanäle bilden, wobei die Laufradschaufelkanäle über gehäusefeste Leitschaufelkanäle, die eine laufradseitige Leitschaufelkanalöffnung und eine gehäusekanalseitige Leitschaufelkanalöffnung haben, mit dem Gehäusekanal kommunizieren.
Strömungsmaschinen mit einem Gehäuse und einem Laufrad sind bekannt ( JP 9 264 106 A ). Damit kann die Druckenergie von Arbeitsmedium in mechanische Arbeit und umgekehrt gewandelt werden. Bei derartigen Strömungsmaschinen besteht das Problem, dass wenn die Laufradschaufeln mit Arbeitsmedium beaufschlagt werden, das schneller strömt als die Schallgeschwindigkeit (Überschallströmung), der Wirkungsgrad für das Umwandeln von Druckenergie in diesen Strömungsmaschinen und damit das Leistungsvermögen dieser Strömungsmaschinen aufgrund von Druckstößen absinkt.
In der US 2,021,289 und in der GB 1 127 684 ist jeweils eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art beschreiben, die Leitschaufelkanäle mit einer dem Laufrad zugewandten, von Arbeitsmedium anströmbaren konkaven Wandfläche haben. Die dem Arbeitsmedium abgewandte Wandfläche der Leitschaufelkanäle ist dagegen konvex.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen, in der die Laufradschaufeln mit einer Überschallströmung beaufschlagt werden können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Strömungsmaschine bereitzustellen, die sich für den Einsatz als Turbine oder Verdichter in einer ORC-Anlage eignet.
Diese Aufgabe wird durch eine Strömungsmaschine gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Der Erfindung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass die Arbeitsmedien in sogenannten ORC-Anlagen (ORC = Organic Rankine Cycle), in denen mit einem thermodynamischen Kreisprozess unter Verwendung eines in einem Kreislauf geführten organischen Arbeitsmediums in Form von z.B. Butan, Toluol, Silikonöl, Ammoniak, Methylcyclohexan oder Ethylbenzol, die in der Regel eine in Bezug auf Wasser niedrige Verdampfungstemperatur haben, und in denen die Schallgeschwindigkeit niedrig ist, Wärme in mechanische Energie gewandelt werden kann (ORC-Kreisprozess). Dies hat zur Folge, dass schon bei vergleichsweise niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten in Strömungsmaschinen, die in solchen Anlagen betrieben werden, Verluste auftreten können, welche die Effizienz einer solchen Anlage beeinträchtigen.
Um die Strömungsverluste in einer Strömungsmaschine klein zu halten, hat die Strömungsmaschine ein Gehäuse mit Leitschaufelkanälen, die derart gestaltet sind, dass einem Ausbilden von in die Leitschaufelkanäle koaliszierenden, d. h. in den Leitschaufelkanälen zusammenlaufenden Druckstößen entgegengewirkt wird.
Die Leitschaufelkanäle sind deshalb erfindungsgemäß als Lavaldüse oder ähnlich einer Lavaldüse gestaltet, d.h. als ein Strömungsorgan, das eine Engstelle hat und das bei einem Betrieb der Strömungsmaschine als Turbine in Strömungsrichtung gesehen vor der Engstelle einen konvergenten Querschnitt und hinter der Engstelle einen divergenten Querschnitt aufweist. Der Übergang von dem konvergenten zu dem divergenten Abschnitt der Leitschaufelkanäle ist allmählich. In den Leitschaufelkanälen kann damit ein durchströmendes Fluid auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, ohne dass es zu starken Verdichtungsstößen kommt. Die Schallgeschwindigkeit wird genau im engsten Querschnitt der Düse erreicht. Der Querschnitt der Leitschaufelkanäle ist bevorzugt eckig. Es ist allerdings auch möglich, die Leitschaufelkanäle mit einem runden Querschnitt auszuführen. Die Leitschaufelkanäle haben bevorzugt eine dem Laufrad zugewandte von Arbeitsmedium anströmbare konkave Wandfläche. Die dem Laufrad abgewandte Wandfläche der Leitschaufelkanäle, die von Arbeitsmedium angeströmt werden kann, ist demgegenüber konvex. Dabei haben die Leitschaufelkanäle in einer den Laufradkanälen zugewandten Strömungsrichtung für Arbeitsmedium einen Strömungsquerschnitt, der monoton zunimmt. Hierfür können die Leitschaufelkanäle in der den Laufradkanälen zugewandten Strömungsrichtung für Arbeitsmedium eine Breite in der zu der Rotationsachse senkrechten Ebene haben, die monoton zunimmt und/oder die Leitschaufelkanäle können in dieser Richtung eine Höhe in der Richtung der Rotationsachse haben, die entsprechend monoton ansteigt.
Die Leitschaufelkanäle können jeweils eine von einer dem Laufrad zugewandten Wandfläche und von einer dem Laufrad abgewandten Wandfläche gleichmäßig beabstandete Mitte haben, die das Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals in einen gehäusekanalseitigen Abschnitt und einen laufradseitigen Abschnitt teilt, wobei das Querschnittsprofil eines jeden Leitschaufelkanals in Bezug auf die Mitte unsymmetrisch ist. Dabei haben der gehäusekanalseitige Abschnitt und der laufradseitige Abschnitt bevorzugt jeweils eine freie Querschnittsfläche für das Hindurchtreten von Arbeitsmedium, wobei die freie Querschnittsfläche des laufradseitigen Abschnitts größer ist als die freie Querschnittsfläche des gehäusekanalseitigen Abschnitts. Das Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals kann insbesondere trapezförmig sein.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine kann insbesondere als sogenannte Gleichdruck- oder Impulsturbine betrieben werden, in der ein gas- und/oder dampfförmiges Arbeitsmedium unter Verringerung seines Druckes und der damit verbundenen Expansion zwischen den Leitschaufeln in den Leitschaufelkanälen beschleunigt wird, um dann auf die Laufschaufeln des Laufrads aufzutreffen. Dies führt zu einem Impulsübertrag auf das Laufrad, so dass damit auf eine an das Laufrad angeschlossene Abtriebswelle ein Drehmoment ausgeübt werden kann. Die hieraus resultierende mechanische Leistung kann dann genutzt werden, um z.B. einen Generator für das Erzeugen von elektrischer Energie anzutreiben.
Um bei dem Beaufschlagen der Laufradschaufeln mit dem Arbeitsmedium eine resultierende Kraft in Drehrichtung des Laufrades zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn ein möglichst großer Teil der aus einem Leitschaufelkanal austretenden Strömung für ein Arbeitsmedium einen möglichst idealen Winkel zum Schaufelrad hat. Erfindungsgemäß sind deshalb die Leitschaufelkanäle der Strömungsmaschine so gestaltet, dass das Arbeitsmedium mit einer Strömung auf das Schaufelrad geführt wird, die eine zu dem Radius des Laufrades senkrechte Strömungskomponente hat. Eine Idee der Erfindung ist es dabei insbesondere, das Arbeitsmedium durch Leitschaufelkanäle auf das Laufrad zu führen, die in einer zu der Rotationsachse des Laufrades senkrechten Ebene liegen und zu dem Laufrad hin gekrümmt sind. Der Erfinder hat nämlich erkannt, dass wenn das Arbeitsmedium auf einem geraden Strömungsweg auf das Laufrad geführt wird, an dem in Strömungsrichtung liegenden Ende eines entsprechenden Leitschaufelkanals nur ein vergleichsweise geringer Teil der Strömung den idealen Winkel zu dem Laufrad hin hat. Der Teil der Strömung, welcher den Leitschaufeln am nächsten ist, hat hier entweder eine zu geringe oder zu starke Neigung zum Schaufelrad hin. Insbesondere bei Überschallströmungen hat dies zur Folge, dass starke Druckstöße zwischen Lauf- und Leitbeschaufelung auftreten, welche den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, die Leitschaufelkanäle mit auf einer zur der Rotationsachse koaxial angeordneten Zylindermantelfläche liegenden gehäusekanalseitigen Öffnungen auszubilden und das Arbeitsmedium in der Mitte mit einem Strömungsweg zu führen, der die Zylindermantelfläche in einem Schnittpunkt durchsetzt, in dem die Tangente an dem Strömungsweg und die in einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene liegenden Tangente an die Zylinderfläche einen Winkel α1 bilden, für den gilt 5°≤α1≤20°, vorzugswese α1≈12°. Auf diese Weise wird ein hoher Impulsübertrag zwischen dem Laufrad und Arbeitsmedium ermöglicht. Hier ist es von Vorteil, wenn die Leitschaufelkanäle auf einer zu der Rotationsachse koaxial angeordneten Zylindermantelfläche liegende laufradseitige Leitschaufelkanalöffnungen haben und das Arbeitsmedium in der Mitte mit einem Strömungsweg führen, der die Zylindermantelfläche in einem Schnittpunkt durchsetzt, in dem die Tangente an den Strömungsweg und die in einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene liegende Tangente an die Zylinderfläche einen Winkel α2 bilden, für den gilt 5°≤α2≤20°, vorzugsweise α2≈12°.
Von Vorteil ist es, wenn die Laufradschaufeln eine im Wesentlichen sichelförmige Querschnittskontur aufweisen und eine konkave Schaufelfläche haben, die sich von einer den Leitschaufelkanälen zugewandten ersten Schaufelkante zu einer den Schaufelkanälen abgewandten zweiten Schaufelkante erstreckt, wobei eine in einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene liegende Tangente an der ersten Schaufelkante, die an die konkave Schaufelfläche angelegt ist, mit einer die erste Schaufelkante durchsetzenden und die Rotationsachse senkrecht schneidenden Geraden einen stumpfen Winkel $\tilde{β 1} = β 1 + 90 °$
bildet, für den gilt: $5 ° \leq \tilde{β 1} - 90 ° \leq 45 °,$
insbesondere $20 ° \leq \tilde{β 1} - 90 ° \leq 40 °,$
vorzugsweise $\tilde{β 1} - 90 ° \approx 29 ° .$
Von Vorteil ist es insbesondere, wenn dabei eine in einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene liegende an der zweiten Schaufelkante an die konkave Schaufelfläche angelegte Tangente mit einer die zweite Schaufelkante durchsetzenden und die Rotationsachse senkrecht schneidenden Geraden einen spitzen Winkel $\tilde{β 2} = 90 ° - β 2$
bildet, für den gilt: $5 ° \leq 90 - \tilde{β 2} \leq 90 °,$
insbesondere $35 ° \leq 90 - \tilde{β 2} \leq 35 °,$
vorzugsweise $90 - \tilde{β 2} \approx 40, 5 ° .$
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der stumpfe Winkel $\tilde{β 1} = β 1 + 90 °$
und der spitze Winkel $\tilde{β 2} = 90 ° - β 2$
folgender Beziehung genügen: $\tilde{β 1} < 180 ° - \tilde{β 2},$
d.h. β1<β2. Damit lässt sich ein besonders hoher energetischer Wirkungsgrad der Strömungsmaschine erreichen.
Der Erfinder hat erkannt, dass wenn der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen zugewandten ersten Schaufelkante einer jeden Laufradschaufel von der Rotationsachse und der Abstand r₁ der den Leitschaufelkanälen abgewandten zweiten Schaufelkante einer jeden Laufradschaufel von der Rotationsachse folgender Beziehung genügt: 70% < r1/r2 < 80%, vorzugsweise r1/r2 ≈ 75%, die Laufradschaufelkanäle eine für mit Überschallgeschwindigkeit strömendes Arbeitsmedium günstige Länge haben, die einem adiabatischen entspannen des Arbeitsmediums förderlich ist. Der Erfinder hat herausgefunden, dass indem die Anzahl Z der Laufradschaufeln des Laufrads der Beziehung Z = C × r1/r2 genügt, wobei C eine Konstante mit 70 ≤ C ≤ 90 ist, die Drehmomentübertragung zwischen dem Laufrad und einem Arbeitsmedium maximiert werden kann, ohne dass übermäßige Strömungsverluste auftreten.
Darüber hinaus hat der Erfinder erkannt, dass es dem energetischen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine förderlich ist, wenn der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen zugewandten ersten Schaufelkante einer jeden Laufradschaufel von der Rotationsachse und die zu der Rotationsachse parallele Höhe h_E der ersten Schaufelkante einer jeden Laufradschaufel folgender Beziehung genügt: 12% ≤ h_E/r₂ ≤ 28%.
Die Schaufelflächen der Laufradschaufeln können zu der Rotationsachse des Laufrades parallel sein. Damit wird ein einfaches Herstellen der Laufradschaufeln ermöglicht. Das Laufrad hat eine die Laufradschaufeln aufnehmenden Laufradschaufelträger mit einer rotationssymmetrischen von Arbeitsmedium anströmbaren Leitkontur, die einen Strömungsweg für Arbeitsmedium zwischen den Laufradkanälen und einem Diffusor umlenkt. Indem sich die Leitkontur des Schaufelträgers in den Diffusor erstreckt, ist es möglich, eine Verwirbelung von Arbeitsmedium zu vermeiden, das aus den Laufradschaufelkanälen austritt. Bei der Strömungsmaschine können die Laufradschaufeln an dem Laufradschaufelträger lösbar festgelegt oder mit diesem stoffschlüssig verbunden sein. Die Leitschaufelkanäle in dem Gehäuse der Strömungsmaschine sind günstigerweise mit an einem ringförmigen Leitschaufelträger aufgenommenen mittels einer Abdeckung abgedeckten spiralförmig verlaufenden Leitschaufeln gebildet, die eine der Rotationsachse abgewandte konvexe Schaufelfläche haben. Die Leitschaufeln und der Leitschaufelträger können dabei stoffschlüssig verbunden sein. Die Leitschaufeln haben Schaufelflächen, die zu der Rotationsachse parallel sind. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln kann hier in einer den Laufradkanälen zugewandten Richtung der Strömung von Arbeitsmedium zunehmen. Die Höhe der Leitschaufeln nimmt dabei zumindest bis zu einer Engstelle in einem bestimmten radialen Abstand von der Rotationsachse mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse ab. Der Leitschaufelträger und die Abdeckung definieren bevorzugt einen zu dem Gehäusekanal geöffneten und in die Leitschaufelkanäle mündenden Ausgleichsraum mit einem sich in der zu der Rotationsachse weisenden Richtung verjüngenden Querschnitt.
Der Leitschaufelträger und die Leitschaufeln können insbesondere aus einem einstückigen Rohrstutzen mittels Erodieren und/oder Fräsen und/oder Elisieren gefertigt werden, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Die Strömungsmaschine eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem ORC-Kreisprozess oder als Verdichter für das Verdichten von organische Bestandteile enthaltendem, gasförmigem Medium.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beschrieben:

Es zeigen:

Fig. 1

eine Strömungsmaschine mit einem Gehäuse;

Fig. 2

einen Leitschaufelträger und ein Laufrad in der Strömungsmaschine;

Fig. 3

den Leitschaufelträger und das Laufrad in einer Seitenansicht;

Fig. 4

eine perspektivische Ansicht von Laufrad und Leitschaufelträger;

Fig. 5

einen Schnitt von Laufrad und Leitschaufelträger entlang der Linie V-V aus Fig. 3;

Fig. 6

eine Rückansicht von Leitschaufelträger und Laufrad;

Fig. 7

und Fig. 8 eine ringförmige Abdeckung für die Leitschaufeln des Leitschaufelträgers;

Fig. 9

einen Teilschnitt von Leitschaufelträger und Laufrad;

Fig. 10

einen Längsschnitt eines Leitschaufelkanals;

Fig. 11

einen Querschnitt eines Leitschaufelkanals;

Fig. 12

ein Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals;

Fig. 13

einen Längsschnitt einer Leitschaufel in der Strömungsmaschine;

Fig. 14

einen weiteren Teilschnitt von Leitschaufelträger und Laufrad;

Fig. 15

einen Teilschnitt des Laufrads;

Fig. 16

einen weiteren Teilschnitt von Leitschaufelträger und Laufrad;

Fig. 17

einen Druckverlauf in Arbeitsmedium, das durch die Strömungsmaschine bewegt wird;

Fig. 18

eine ORC-Anlage mit einer Strömungsmaschine;

Fig. 19

einen Teilschnitt einer weiteren Strömungsmaschine mit einem Leitschaufelträger und einem Laufrad;

Fig. 20

einen Längsschnitt eines Leitschaufelkanals in der weiteren Strömungsmaschine;

Fig. 21

einen Querschnitt des Leitschaufelkanals;

Fig. 22

das Querschnittsprofil des Leitschaufelkanals;

Fig. 23

das Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals in einer weiteren, dritten Strömungsmaschine;

Fig. 24

einen Längsschnitt einer Leitschaufel in der weiteren Strömungsmaschine;

Fig. 25

einen Teilschnitt einer weiteren Strömungsmaschine mit einem Leitschaufelträger und einem Laufrad;

Fig. 26

einen Längsschnitt eines Leitschaufelkanals in der weiteren Strömungsmaschine;

Fig. 27

eine vierte Strömungsmaschine mit einem Gehäuse;

Fig. 28

einen Schnitt der Strömungsmaschine entlang der Linie XXVIII-XXVIII aus Fig. 27 mit einer Anschlusswand;

Fig. 29

einen Schnitt der Strömungsmaschine entlang der Linie XXIX-XXIX aus Fig. 27;

Fig. 30

einen Leitschaufelträger mit den daran ausgebildeten Leitschaufeln der Strömungsmaschine;

Fig. 31

den Leitschaufelträger mit den Leitschaufeln als Schnitt;

Fig. 32

eine vergrößerte Ansicht von Leitschaufelträger und Leitschaufeln;

Fig. 33

eine Seitenansicht des Laufrads der Strömungsmaschine; und

Fig. 34

das Gehäuse der vierten Strömungsmaschine.

Die Strömungsmaschine 10 in Fig. 1 hat ein Gehäuse 12 mit einem Rohrleitungsanschluss 14 für das Zu- oder Abführen von Arbeitsmedium. In dem Gehäuse 12 ist ein Laufrad 16 auf einer Welle um eine Rotationsachse 18 drehbeweglich gelagert, das eine Vielzahl von Laufradschaufeln 28 aufweist, die einen Laufradschaufelkranz bilden. In dem Gehäuse 12 ist ein Leitschaufelträger 20 mit Leitschaufeln 22 festgelegt. Das Gehäuse 12 hat einen Gehäusekanal 24, der über den Rohrleitungsanschluss 14 in der Strömungsrichtung des Pfeils 15 eingeströmtes Arbeitsmedium beaufschlagt werden kann, wenn die Strömungsmaschine 10 als Turbine betrieben wird. Bei einem Betrieb der Strömungsmaschine 10 als Verdichter wird das Arbeitsmedium durch den Rohrleitungsanschluss 14 aus dem Gehäusekanal 24 abgeführt.
Die Fig. 2 und Fig. 3 zeigen den Leitschaufelträger 20 mit dem Laufrad 16 in einer Draufsicht und einer Seitenansicht. In der Fig. 4 ist das Laufrad 16 und der Leitschaufelträger 20 in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. Die Fig. 5 zeigt den Leitschaufelträger 20 mit dem Laufrad 16 entlang der Linie V-V aus Fig. 3 als Schnitt. Die Fig. 6 zeigt den Leitschaufelträger 20 und das Laufrad 16 als Rückansicht in der Richtung des Pfeils 37 aus Fig. 3.
Das Laufrad 16 hat einen Laufradschaufelträger 26, an dem die Laufradschaufeln 28 stoffschlüssig festgelegt sind. Die Laufradschaufeln 28 sind an ihrer dem Laufradschaufelträger abgewandten Seite mit einem ringförmigen Bandageorgan 30 stabilisiert und abgedeckt, das mittels Befestigungsschrauben 38 an die Laufradschaufeln 28 angeschlossen ist. Der Laufradschaufelträger 26 hat eine in Bezug auf die Rotationsachse 18 rotationssymmetrische Leitkontur 32, die sich in einen Diffusorraum 34 eines Diffusors 35 erstreckt. Die Laufradschaufeln 28 bilden Laufradschaufelkanäle 84, die das Arbeitsmedium umlenken, das zwischen dem Gehäusekanal 24 und dem Diffusorraum 34 strömt. Die Leitschaufeln 22 sind mit dem Leitschaufelträger 20 stoffschlüssig verbunden. Dem Leitschaufelträger 20 ist eine in dem Gehäuse 12 gehaltene ringförmige Abdeckung 36 zugeordnet, die über eine Anschlussfläche 33 mit dem Leitschaufelträger 20 und den Leitschaufeln 22 spiralförmig gekrümmt verlaufende Leitschaufelkanäle 42 bildet, die jeweils als Lavaldüsen wirken.
Der Leitschaufelträger 20 mit den Leitschaufeln 22 ist aus einem Rohrstutzen hergestellt. Fertigungstechnisch eröffnet sich dadurch die Möglichkeit, die Form der Leitschaufeln 22 aus dem Leitschaufelträger 20 z.B. mittels Fräsen, Erodieren oder Elisieren herauszuarbeiten, nachdem diese z.B. einer Drehbearbeitung unterzogen wurden, um auf der zu der ringförmigen Abdeckung 36 weisenden Seite eine kurvenförmige Schräge zu schaffen. Der Leitschaufelträger 20 hat einen Montageflansch 40, mit der er in dem Gehäuse 12 der Strömungsmaschine 10 festgelegt werden kann. Die Fig. 7 zeigt die ringförmige Abdeckung 36 in der Strömungsmaschine 10 in einer perspektivischen Ansicht. Die Fig. 8 zeigt die ringförmige Abdeckung 36 als Schnitt. Auch die Abdeckung 36 lässt sich kostengünstig als ein rotationssymmetrisches Drehteil herstellen, das eine zu den Leitschaufeln 22 des Leitschaufelträgers 22 kongruente, passende Anschlussfläche 33 hat.
Die Fig. 9 ist ein Teilschnitt des Leitschaufelträgers 20 und des Laufrads 16. Die Leitschaufeln 22 haben jeweils eine dem Laufrad 16 zugewandte konkave Leitschaufelfläche 46 und eine Leitschaufelfläche 44, die konvex ist. Die Leitschaufelflächen 44, 46 bilden jeweils eine Wandfläche eines Leitschaufelkanals 42. Ein jeder Leitschaufelkanal 42 hat eine Mitte 62, die einer gekrümmten Linie mit einem zu dem Laufrad 16 weisenden Krümmungsvektor 43 entspricht. Die Leitschaufeln 22 haben laufradseitige Leitschaufelkanten 51, 53 und gehäusekanalseitige Leitschaufelkanten 51', 53'.
Die Leitschaufeln 22 können an dem Leitschaufelträger 20 insbesondere mittels eines sogenannten Fingerfräsers herausgearbeitet werden, da die Bodenwand eines Leitschaufelkanals 42 eben ist, das Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals 42 Kanten aufweist und ein jeder Leitschaufelkanal 42 grundsätzlich gleich gestaltet ist. Über die Führung des Fingerfräsers ist es z.B. möglich, jede gewünschte gerade oder kurvenförmig gebogene, zu der Rotationsachse 18 hin geneigte, gleichbreite oder breitenverändemde Leitschaufelkanalform zu erzeugen.
Die Fig. 10 ist ein Teilschnitt des Leitschaufelträgers 20 entlang der Mitte 62 in einer zu der Rotationsachse 18 parallelen Schnittfläche. Indem die Anschlussfläche 33 der ringförmigen Abdeckung 36 an diese kurvenförmige Schräge angepasst wird, lässt sich durch das Aufsetzen der ringförmigen Abdeckung 36 so eine Leitschaufelkanalgeometrie erzeugen, die bei dem Radius r_min in Bezug auf die Rotationsachse 18 eine Engstelle 50 mit einem engsten Querschnitt hat. Laufradseitig der Engstelle 50 ist der Querschnitt des Leitschaufelkanals divergent, d.h. seine freie Querschnittsfläche nimmt zu dem Laufrad 16 hin zu. Gehäusekanalseitig der Engstelle 50 ist der Querschnitt des Leitschaufelkanals 42 konvergent, d.h. seine freie Querschnittsfläche nimmt von dem Gehäusekanal 24 ausgehend zu dem Laufrad 16 hin ab. Wie die Fig. 11 zeigt, hat ein jeder Leitschaufelkanal 42 von den Schaufelflächen 44, 46 der Leitschaufeln gebildete Wandflächen eine ebene Bodenfläche 47 und eine schräge Deckenfläche 49.
Die Fig. 12 zeigt das trapezförmige Querschnittsprofil des Leitschaufelkanals 42. Der Strömungsweg 60 für das Arbeitsmedium durchsetzt die Mitte 62 des Leitschaufelkanals 42, die diesen in einen gehäusekanalseitigen 65 und einen laufradseitigen Abschnitt 67 teilt. In Bezug auf die Mitte 62 ist das Querschnittsprofil des Leitschaufelkanals 42 unsymmetrisch. Die freie Querschnittsfläche des laufradseitigen Abschnitts 67 ist größer als die freie Querschnittsfläche von dessen gehäusekanalseitigen Abschnitt 65.
Die Fig. 13 ist ein Längsschnitt einer Leitschaufel 22. Eine jede Leitschaufel 22 hat eine konkave Schaufelfläche 46 und eine konvexe Schaufelfläche 44.
Es sei bemerkt, dass auch das Laufrad 16 mit dem Laufradschaufelträger 26 und den Laufradschaufeln 28 in entsprechender Weise mittels Fräsen, Erodieren oder Elisieren hergestellt werden kann. Der Laufradschaufelträger 26 lässt sich grundsätzlich auf einer Werkzeugmaschine als ein Drehteil fertigen, das einen dicken Rand mit einer Schräge aufweist. Aus diesem Rand werden dann durch Erodieren, Elisieren oder Fräsen die Laufradschaufelkanäle 84 herausgearbeitet. Hier eignet sich wieder in besonderem Maße der Einsatz eines Fingerfräsers, da der Boden der entsprechenden Kanäle über die gesamte Kanallänge eben sein kann und jeder Kanal gleich tief ist. Über das Führen des Fingerfräsers ist es dann möglich, jede gewünschte gerade oder kurvenförmig gebogene, zu der Rotationsachse 18 hin geneigte, gleichbreite oder breitenverändemde Kanalform zu erzeugen. Mittels der ringförmigen Bandageorgan 30 wird so über die Schräge des Laufradschaufelträgers 26 die gewünschte Düsenkanalgeometrie mit einer Eintritts- und Austrittskante bei einer jeden Laufradschaufel erzeugt.
Die Leitschaufelkanäle 42 haben gehäuseseitige Öffnungen 48. Wie die Fig. 14 zeigt, führen sie das Arbeitsmedium in der Mitte 62 mit dem Strömungsweg 60, der die Zylindermantelfläche 56 in einem Schnittpunkt 63 durchsetzt. In dem Schnittpunkt 63 bilden die Tangente 64 an die Mitte 62 und die in einer zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegende Tangente 66 an die Zylindermantelfläche 56 einen spitzen Winkel α1. Laufradseitig haben die Leitschaufelkanäle 42 auf einer zu der Rotationsachse 18 koaxial angeordneten Zylindermantelfläche 68 liegende Öffnungen 70. Hier durchsetzt der Strömungsweg 60 für Arbeitsmedium in der Mitte 62 der Leitschaufelkanäle 42 die Zylindermantelfläche 68 in einem Schnittpunkt 72, in dem die Tangente 74 an die Mitte 62 und die in einer zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegende Tangente 76 an die Zylindermantelfläche 68 einen Winkel α2 bilden, für den gilt: α2 ≈ 12°.
Die Fig. 15 zeigt einen Abschnitt des Laufrads mit Laufradschaufeln 28. Die Laufradschaufeln 28 haben eine im Wesentlichen sichelförmige Querschnittskontur und weisen eine konkave Schaufelfläche 78 auf, die sich von einer den Leitschaufelkanälen 42 zugewandten ersten Laufradschaufelkante 52 in dem Abstand r₂ von der Rotationsachse 18 zu einer den Leitschaufelkanälen 42 abgewandten zweiten Laufradschaufelkante 54 erstreckt, die den Abstand r₁ von der Rotationsachse 18 hat. Die den Leitschaufelkanälen 42 zugewandten Laufradschaufelkanten 52 liegen auf einer zu der Rotationsachse 18 koaxialen Zylindermantelfläche 53 mit dem Radius r₂. Die der Rotationsachse 18 zugewandten Laufradschaufelkanten 54 sind auf einer zu der Rotationsachse 18 koaxialen Zylindermantelfläche 59 mit dem Radius r₁ positioniert.
Eine in eine zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegende an der ersten Laufradschaufelkante 52 an die konkave Schaufelfläche 78 angelegte Tangente 80 mit einer die erste Laufradschaufelkante 52 durchsetzenden in einer zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegenden Tangente 82 an die zu der Rotationsachse 18 koaxiale Zylindermantelfläche 53 dabei einen Winkel β1, für den gilt: β1≈29°. Gleichzeitig gilt für eine in einer zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegende, an der zweiten Laufradschaufelkante 54 an die konkave Schaufelfläche 78 angelegte Tangente 85 und eine die zweite Laufradschaufelkante 54 durchsetzende Tangente 86 an die Zylindermantelfläche 59 in einer zu der Rotationsachse senkrechten Ebene, dass diese einen Winkel β2 bilden, für den gilt: β2≈40,5°. D.h. die Tangente 80 bildet mit der die erste Schaufelkante 52 durchsetzenden und die Rotationsachse 18 senkrecht schneidenden Geraden 81 einen Winkel $\tilde{β 1} : = β 1 + 90 °,$
für den gilt: $\tilde{β 1} : \approx 119 ° .$
Entsprechend bildet eine in einer zu der Rotationsachse 18 senkrechten Ebene liegende an der zweiten Schaufelkante 54 an die konkave Schaufelfläche 78 angelegte Tangente 80 mit einer die zweite Schaufelkante 54 durchsetzenden und die Rotationsachse 18 senkrecht schneidenden Geraden 89 einen Winkel $\tilde{β 2} : = 90 ° - β 2,$
der folgender Beziehung genügt: $\tilde{β 2} : \approx 49, 5 ° .$
Die Fig. 16 zeigt einen Abschnitt des Laufradträgers 20 mit dem Laufrad 16 aus Fig. 5 in einer vergrößerten Darstellung. Wenn die Strömungsmaschine 10 als Turbine betrieben wird, strömt das Arbeitsmedium entlang dem Strömungsweg 88 aus dem Gehäusekanal 24 in den Diffusorraum 34. Das Arbeitsmedium tritt durch einen Ausgleichsraum 41 in die mittels der Leitschaufeln 22 gebildeten Leitschaufelkanäle 42 ein, die gehäusekanalseitig die Eintrittshöhe h_E haben und beaufschlagt dann die Schaufeln 28 des Laufrads 16 bei dem Laufrad-Eintrittsradius r_E. Die Höhe der Leitschaufelkanäle 42 an deren laufradseitiger Austrittöffnung entspricht der Eintrittshöhe h_E. Hier strömt das Arbeitsmedium in der Richtung der Geraden 80 aus Fig. 15 auf die Laufradschaufeln, die an der Eintrittskante 52 die Höhe h_E haben. Das Laufrad 16 hat einen Austrittsradius r_A. An der Austrittskante 54 haben die Laufradschaufeln 28 die Höhe h_A. An den Leitschaufelkanten 51, 53, d.h. dort, wo das Arbeitsmedium aus den Leitschaufeln austritt, haben die Leitschaufeln die Höhe h_LA.
Der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen 42 zugewandten ersten Schaufelkante 52 einer jeden Laufradschaufel 28 von der Rotationsachse 18 und der Abstand r₁ der den Leitschaufelkanälen abgewandten zweiten Schaufelkante 54 einer jeden Laufradschaufel 28 von der Rotationsachse 18 genügt hier folgender Beziehung: r₁/r₂ ≈ 75%.
Dabei gilt für die Anzahl Z = 59 der Laufradschaufeln 28 des Laufrads 16 folgende Beziehung: Z ≈ C · r₁/r₂, wobei r₂ der Abstand der den Leitschaufelkanälen 42 zugewandten ersten Schaufelkante 52 einer jeden Laufradschaufel 28 von der Rotationsachse 18 und r₁ der Abstand der den Leitschaufelkanälen 42 abgewandten zweiten Schaufelkante 54 einer jeden Laufradschaufel 28 von der Rotationsachse 18 ist und C = 78.66 eine Konstante ist, die in dem Zahlenintervall [70, 90] liegt.
Der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen 42 zugewandten ersten Schaufelkante 52 einer jeden Laufradschaufel 28 von der Rotationsachse 18 und die zu der Rotationsachse 18 parallele Höhe h_E der ersten Schaufelkante 52 einer jeden Laufradschaufel 28 genügt dabei folgender Beziehung: 12% ≤ h_E/r₂ ≤ 28%.
Die insbesondere in der Fig. 10 ersichtliche Form eines jeden Leitschaufelkanals 42 in der Strömungsmaschine 10 gewährleistet, dass dieser als Lava-Idüse wirken kann. D.h. diese Form ermöglicht, dass laufradseitig der Engstelle 50 das Arbeitsmedium mit einer Überschallströmung bewegbar ist, wenn der Druck des Arbeitsmediums in dem Gehäusekanal 24 einen Schwellwert übersteigt. Damit lässt sich erreichen, dass das Laufrad 16 mit Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, das sich schneller bewegt, als die Schallgeschwindigkeit. Der Verlauf der Leitschaufelkanäle 42 nach Art eines Spiralabschnitts, dessen Krümmung zu dem Laufrad 16 weist, gewährleistet dabei, dass sich in den Leitschaufelkanälen 42 ein in Bezug auf die Rotationsachse 18 im Wesentlichen radialsymmetrisches Druckgefälle einstellt.
Die Fig. 17 zeigt einen typischen Druckverlauf in den Leitschaufelkanälen 42 und den Laufradschaufelkanälen 84, wenn das Arbeitsmedium der Strömungsmaschine 10 in der Richtung der Pfeile 45 mit Überschallströmung strömt. Die in dem sich dabei ausprägenden Druckfeld Isobaren 90 sind in den Leitschaufelkanälen 42 in Bezug auf die Rotationsachse 18 des Laufrads 16 der Strömungsmaschine im Wesentlichen radialsymmetrisch. Das bewirkt, dass sich in den Laufradschaufelkanälen 50 und den Leitschaufelkanälen 42 keine Druckstöße ausbilden. Das Arbeitsmedium kann so aus dem Gehäusekanal 24 durch die Leitschaufelkanäle 42 über das Laufrad 16 zu dem Diffusorraum 34 strömen, dass es seinen Impuls nahezu vollständig auf die Laufradschaufeln 28 überträgt und nicht in Druckstößen abgibt, die den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine 10 verringern.
Die vorstehend beschriebene Strömungsmaschine 10 eignet sich insbesondere für den Einsatz als Turbine in einem Organic-Rankine-Kreisprozess oder für das Verdichten in einem Organic-Rankine-Kreisprozess eingesetztem Arbeitsmedium.
Die Fig. 18 zeigt eine ORC-Anlage 100 mit einer Strömungsmaschine 110, die als Dampfturbine betrieben wird und die in einem Arbeitsmittelkreislauf 105 angeordnet ist. Als fluide Arbeitsmittel werden beispielsweise Butan, Toluol, Silikonöl, Ammoniak, Methylcyclohexan oder auch Ethylbenzol verwendet. An die Strömungsmaschine 110, die den anhand der vorstehenden Figuren beschriebenen Aufbau besitzt, ist ein Generator 121 angekoppelt. Die ORC-Anlage 100 hat einen Arbeitsmittelkondensator 124. In der ORC-Anlage 100 gibt es eine als Arbeitsmittelpumpe wirkende Speisepumpe 122. Mit der Speisepumpe 122 wird das fluide Arbeitsmittel im flüssigen Aggregatszustand auf Betriebsdruck gebracht. Das flüssige Arbeitsmittel durchströmt einen als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher 123.
Dabei verdampft das Arbeitsmittel. Am Ausgang des Wärmetauschers 123 wird dann Sattdampf bzw. Trockendampf bereitgestellt. Durch den Energieeintrag in dem Wärmetauscher 123 nehmen dabei das spezifische Volumen und die Temperatur des Dampfes zu.
Der Dampf des Arbeitsmittels wird dann über die mit einem Generator 121 verbundene Strömungsmaschine 110 nahezu isentrop auf einen geringeren Druck entspannt. Hierdurch steigt das spezifische Volumen aufgrund der Expansion. Die damit verbundene Volumenvergrößerung des Arbeitsmittels, hervorgerufen durch die Druckdifferenz, bewirkt eine resultierende Arbeit in Form einer Volumenänderungsarbeit, welche die Strömungsmaschine 110 an ihren Schaufeln in mechanische Energie umwandelt. Die Strömungsmaschine 110 treibt den Generator 121 an.
Von der Strömungsmaschine 110 gelangt der Dampf in den Arbeitsmittelkondensator 124. Der Arbeitsmittelkondensator 124 ist ein Wärmetauscher, durch den ein Kühlmittelkreislauf 131 geführt ist, der eine Kühlflüssigkeit enthält. Über den Kühlmittelkreislauf 131 wird die bei der Kondensation abgegebene Wärme in ein nicht weiter dargestelltes Wärmenetz gespeist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Wärme des in der Kühlmittelleitung 131 geführten Kühlmittels über einen Wärmetauscher an die Umgebung abzugeben.
In dem als Arbeitsmittelkondensator 124 wirkenden Wärmetauscher kondensiert das Arbeitsmittel und geht dabei vollständig in den flüssigen Aggregatzustand über. Mit der als Arbeitsmittelpumpe wirkenden Speisepumpe 122 wird das Arbeitsmittel dann wieder auf Betriebsdruck gebracht und gelangt von neuem in den als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher 123. Der Kreislauf für das Arbeitsmittel in der ORC-Anlage 2 ist dann geschlossen.
Die Fig. 19 ist ein Teilschnitt eines Leitschaufelträgers 220 und eines Laufrads 216 in einer weiteren Strömungsmaschine 210, deren Aufbau der anhand der Fig. 1 bis Fig. 16 beschriebenen Strömungsmaschine 10 grundsätzlich entspricht. Funktional gleiche Elemente in den Figuren zu der Strömungsmaschine 10 und der Strömungsmaschine 210 sind daher nachfolgend mit um die Zahl 200 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Die Strömungsmaschine 210 hat Leitschaufelkanäle 242, durch die das Arbeitsmedium mit dem Strömungsweg 260 aus dem Gehäusekanal auf die Laufradschaufeln 228 des Laufrads 216 gelangen kann.
Die Fig. 20 zeigt einen Leitschaufelkanal 242 entlang dem in dessen Mitte 262 verlaufenden Strömungsweg 260 in der Richtung der Pfeile XX-XX aus Fig. 19. In der Fig. 21 ist der Leitschaufelkanal 242 als Schnitt in der Richtung der Pfeile XXI-XXI aus Fig. 19 gezeigt. Der Leitschaufelkanal 242 wirkt für aus dem Gehäusekanal strömendes Arbeitsmedium auch hier als eine Lavaldüse, die mit Überstrahlströmung die Schaufelflächen 278 des Laufrads 216 unter dem Winkel α2 = 12° in Bezug auf die einer zu der Rotationsachse des Laufrads 216 senkrechten Ebene liegende Tangente an eine in Bezug auf die Rotationsachse des Laufrads 216 koaxiale Zylindermantelfläche 268 anströmen kann. In modifizierten Ausführungsbeispielen sind auch Winkel 8° ≤ α2 ≤ 22° möglich.
Die Fig. 22 zeigt das rechteckige Querschnittsprofil des Leitschaufelkanals 222. Die Fig. 23 zeigt das Querschnittsprofil 222' eines Leitschaufelkanal einer weiteren Strömungsmaschine, die zu den vorstehenden Strömungsmaschinen entsprechend aufgebaut ist. Das Querschnittsprofil 222' dieses Leitschaufelkanals ist nicht rechteckig, sondern rund. Die Fig. 24 zeigt eine Leitschaufel 222 aus der Fig. 19 in einem Längsschnitt.
Die Fig. 25 ist ein Teilschnitt eines Leitschaufelträgers 220" und eines Laufrads 216" in einer weiteren Strömungsmaschine 210", deren Aufbau der anhand der Fig. 1 bis Fig. 16 beschriebenen Strömungsmaschine 10 grundsätzlich entspricht. Funktional gleiche Elemente in den Figuren zu der Strömungsmaschine 10 und der Strömungsmaschine 210" sind daher nachfolgend mit um die Zahl 200 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Die Strömungsmaschine 210" hat Leitschaufelkanäle 242", durch die das Arbeitsmedium mit dem Strömungsweg 260" aus dem Gehäusekanal auf die Laufradschaufeln 228" des Laufrads 216" gelangen kann. Die Leitschaufeln 222" sind an ihren dem Gehäusekanal zugewandten Enden 223" in der Art eines Zylindermantelabschnitts abgerundet gestaltet, um ein Eintreten von Arbeitsmedium aus dem Gehäusekanal in die Leitschaufelkanäle mit reduzierten Strömungsverlusten zu ermöglichen. Insbesondere weisen die Leitschaufeln 228" in ihrem gem. Fig. 25 dargestellten Querschnitt einen Radius zwischen 1 mm und 5 mm auf. Wenigstens ein Leitschaufelkanal 242", vorzugsweise alle Leischaufelkanäle weisen eine wenigstens abschnittsweise konstante Breite b auf. Der Abschnitt konstanter Breite b erstreckt sich vorzugsweise entlang wenigstens der Hälfte eines durch zwei Leitschaufeln 222" begrenzten Gehäusekanals.
Die Fig. 26 zeigt einen Leitschaufelkanal 242" entlang dem in dessen Mitte 262" verlaufenden Strömungsweg 260' in der Richtung der Pfeile XX"-XX" aus Fig. 25. Ein jeder Leitschaufelkanal 242" wirkt für aus dem Gehäusekanal strömendes Arbeitsmedium auch hier als eine Lavaldüse, die mit Überstrahlströmung die Schaufelflächen 278" des Laufrads 216" unter dem Winkel α2 = 12° in Bezug auf die einer zu der Rotationsachse des Laufrads 216" senkrechten Ebene liegende Tangente an eine in Bezug auf die Rotationsachse des Laufrads 216" koaxiale Zylindermantelfläche 268" anströmen kann.
Ein jeder Leitschaufelkanal 242" in der Strömungsmaschine 210" hat eine Engstelle 250" mit einem engsten Querschnitt in dem Abstand a von der Zylindermantelfläche 268". Laufradseitig der Engstelle 250" ist der Querschnitt des Leitschaufelkanals divergent, d.h. bei gleichbleibender Breite b nimmt die Höhe h zu dem Laufrad 216" hinzu. Gehäusekanalseitig der Engstelle 250" ist der Querschnitt des Leitschaufelkanals 242" konvergent, d.h. seine freie Querschnittsfläche nimmt von dem Gehäusekanal ausgehend zu dem Laufrad 216" hin ab. In modifizierten Ausführungsbeispielen sind auch andere Düsengeometrien, insbesondere auch Unterschalldüsen vorsehbar.
Die Fig. 27 zeigt eine weitere, vierte Strömungsmaschine 310. Funktional einander entsprechende Elemente in den Figuren zu der Strömungsmaschine 10 und der Strömungsmaschine 310 sind daher nachfolgend mit um die Zahl 300 erhöhten Zahlen als Bezugszeichen kenntlich gemacht. Die Strömungsmaschine 310 hat ein zylinderförmiges Gehäuse 312 mit einem als Rohrstutzen ausgebildeten Rohrleitungsanschluss 314. In der Fig. 28 ist die Strömungsmaschine als Schnitt entlang der Linie XXVIII-XXVIII aus Fig. 27 mit einer zusätzlichen Anschlusswand 301 gezeigt. In der Fig. 29 ist die Strömungsmaschine als Schnitt entlang der Linie XXIX-XXIX aus Fig. 27 zu sehen. Anders als bei der Strömungsmaschine 10 umgibt der Gehäusekanal 324 das Laufrad 316 hier ringförmig. Die Leitschaufeln 322 sind an ihren dem Gehäusekanal 324 zugewandten Enden 323 abgerundet, um ein Eintreten von Arbeitsmedium aus dem Gehäusekanal in die Leitschaufelkanäle mit möglichst geringen Strömungsverlusten zu ermöglichen. Der in der Fig. 30, Fig. 31 und Fig. 32 gezeigte Leitschaufelträger 320 mit den Leitschaufeln 322 ist hier ebenfalls aus einem Rohrstutzen gefertigt, in das die Leitschaufeln 322 mittels Fräsen, Erodieren oder Elisieren eingearbeitet sind. Der Leitschaufelträger 320 hat einen Montageflansch 340, mit der er im Gehäuse 312 der Strömungsmaschine 310 festgelegt werden kann.
Die Leitschaufeln 322 in der Strömungsmaschine 310 sind auch hier mit einer ringförmigen Abdeckung 336 abgedeckt. Diese Abdeckung 336 bildet mit dem Leitschaufelträger 320 und den daran ausgebildeten Leitschaufeln 322 Leitschaufelkanäle 342, die jeweils eine mit dem Gehäusekanal 324 kommunizierende Öffnung haben. Die Leitschaufelkanäle 324 haben auch hier einen spiralförmigen Verlauf und führen das Arbeitsmedium auf einem Strömungsweg zwischen dem Gehäusekanal 324 und dem Laufrad 316, der eine zu dem Laufrad 316 weisende Krümmung hat. Ausgehend von dem Gehäusekanal 325 zu dem Laufrad 316 hin verjüngt sich der Querschnitt der Leitschaufelkanäle 342 in Bezug auf die Rotationsachse 318 bei einer im Wesentlichen konstanten Breite bis zu der Engstelle 350, die den Abstand r_nmin von der Rotationsachse 318 hat. Von dort an nimmt der freie Querschnitt der Leitschaufelkanäle 342 in der Richtung des Laufrads 316 dann wieder zu. Ein jeder Leitschaufelkanal 342 hat damit auch hier die Form spiralfrömig gekrümmten Düse, die sich nach Art einer Lavaldüse in der zu dem Laufrad 316 weisenden Richtung ausgehend von dem Gehäusekanal 324 zunächst verjüngt und dann erweitert, wobei die Düse einen trapezförmigen Öffnungsquerschnitt hat.
Die Fig. 33 zeigt das Laufrad 316 in der Strömungsmaschine 310 ohne das die Laufradschaufeln 328 unter Bildung der Laufradschaufelkanäle 384 abdeckende Bandageorgan 330. In der Fig. 34 ist das Gehäuse 312 der Strömungsmaschine 310 gezeigt. Das Gehäuse 310 ist ein Rohrkörper, in den vorzugsweise mittels Drehbearbeitung Flanschabschnitte 315 eingearbeitet sind, an denen der Leitschaufelträger 320 und die Abdeckung 336 für die Leitschaufelkanäle 342 festgelegt ist.
Mit dieser neuen Geometrie erhöht sich vor allem die Effizienz von Turbomaschinen in ORC-Systemen, in denen die Strömung innerhalb der Beschaufelung meist oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt. Auch verringern sich die Fertigungskosten, da die Strömungskanäle leichter ausformbar sind.
Zusammenfassend ist zu bemerken, dass mit den vorstehend beschriebenen Geometrien der Leitschaufelkanäle 42, 242, 342 und der Laufradschaufeln 28, 228, 328 ein sehr hoher Wirkungsgrad einer Strömungsmaschine erreicht werden kann. Dieser hohe Wirkungsgrad lässt sich insbesondere bei einem Einsatz solcher Strömungsmaschine als Turbomaschinen für ORC-Systeme erzielen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit für das Arbeitsmedium innerhalb der Laufradbeschaufelung in der Regel oberhalb der Schallgeschwindigkeit liegt. Weil die Strömungskanäle in den vorstehend beschriebenen Strömungsmaschinen sehr leicht ausformbar sind, lassen sich diese Strömungsmaschinen mit sehr geringen Fertigungskosten herstellen. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, dass sich die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren für die Laufradschaufeln und die Leitschaufelkanäle der vorstehend beschriebenen Strömungsmaschinen auch für entsprechende Baugruppen von Axialturbinen eignen. In diesem Fall wird die Geometrie der Kanäle vorzugsweise an die gegenüber einer Radialturbine der zu der Laufradachse geänderten Strömungsrichtung angepasst.
Insbesondere sind folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine 10 mit einem Gehäuse 12, das einen Gehäusekanal 24 für das Ein- oder Ausströmen von Arbeitsmedium hat. Die Strömungsmaschine enthält ein drehbar um eine Rotationsachse 18 angeordnetes Laufrad 16 mit einer Vielzahl von Laufradschaufeln 50, die Laufradschaufelkanäle 84 bilden. Die Laufradschaufelkanäle 84 kommunizieren über in dem Gehäuse ausgebildete Leitschaufelkanäle 42 mit dem Gehäusekanal 24.

Bezugszeichenliste

10: Strömungsmaschine
12: Gehäuse
14: Rohrleitungsanschluss
15: Pfeil
16: Laufrad
18: Rotationsachse
20: Leitschaufelträger
22: Leitschaufel
24: Gehäusekanal
26: Laufradschaufelträger
28: Laufradschaufel
30: Bandageorgan
32: Leitkontur
33: Anschlussfläche
34: Diffusorraum
35: Diffusor
36: Abdeckung
37: Pfeil
38: Befestigungsschraube
40: Montageflansch
41: Ausgleichsraum
42: Leitschaufelkanal
43: Krümmungsvektor
44, 46: Schaufelfläche, Wandfläche
45: Pfeil
47: Bodenfläche
49: Deckenfläche
48: Öffnung, Leitschaufelkanalöffnung
50: Engstelle
51, 53, 51', 53': Kanten
51, 53, 51', 53': Leitschaufelkante
52, 54: Laufradschaufelkante
53, 59: Zylindermantelfläche
55, 57: Schaufelfläche
56: Zylindermantelfläche
60,88: Strömungsweg
62: Mitte
63: Schnittpunkt
64: Tangente
65, 67: Abschnitt
66: Tangente
68: Zylindermantelfläche
70: Leitschaufelkanalöffnung
72: Schnittpunkt
74, 76: Tangente
78,79: Schaufelfläche
80, 82, 85, 86: Tangente
81, 89: Gerade
84: Laufradschaufelkanal
87: Leitkontur
88: Strömung
90: Isobare
100: ORC-Anlage
110: Strömungsmaschine
121: Generator
122: Speisepumpe
123: Wärmetauscher
124: Arbeitsmittelkondensator
131: Kühlmittelkreislauf
210, 210": Strömungsmaschine
216, 216": Laufrad
216: Laufrad
222, 222', 222": Leitschaufel
228, 228": Laufradschaufel
236,236": Abdeckung
242, 242": Leitschaufelkanal
248, 248": Öffnung
250, 250": Engstelle
260,260": Strömungsweg
268, 268": Zylindermantelfläche
278: Schaufelfläche
301: Anschlusswand
310: Strömungsmaschine
312: Gehäuse
314: Rohrleitungsanschluss
316: Laufrad
320: Leitschaufelträger
322: Leitschaufeln
223",323: Ende
324,325: Gehäusekanal
328: Laufradschaufel
336: Abdeckung
338: Leitschaufel
340: Montageflansch
342: Leitschaufelkanal
384: Laufradschaufelkanal

Claims

Strömungsmaschine (10) mit einem Gehäuse (12), das einen Gehäusekanal (24) für das Ein- oder Ausströmen von Arbeitsmedium hat, und mit einem drehbar um eine Rotationsachse (18) angeordneten Laufrad (16), das eine Vielzahl von Laufradschaufeln (28) aufweist, die Laufradschaufelkanäle (84) bilden,
wobei die Laufradschaufelkanäle (84) über gehäusefeste Leitschaufelkanäle (42, 242"), die eine laufradseitige Leitschaufelkanalöffnung (70) und eine gehäusekanalseitige Leitschaufelkanalöffnung (48, 248") haben, mit dem Gehäusekanal (24) kommunizieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitschaufelkanäle (42, 242) eine Engstelle (50, 250) haben und
zwischen der Engstelle (50, 250) und der laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnung (70) einen divergenten Querschnitt und
zwischen der Engstelle (50) und der gehäusekanalseitigen Leitschaufelkanalöffnung (48) einen konvergenten Querschnitt aufweisen.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelkanäle (42) eine dem Laufrad (16) zugewandte von Arbeitsmedium anströmbare konkave Wandfläche (46) haben, und/oder dass die Leitschaufelkanäle (42) eine dem Laufrad (16) abgewandte von Arbeitsmedium anströmbare konvexe Wandfläche (44) haben.
Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelkanäle (42) zwischen der gehäusekanalseitigen Leitschaufelkanalöffnung (48) und der laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnung (70) in einer zu der Rotationsachse (18) senkrechten Ebene eine von der Engstelle (50) zu der laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnung (70) hin zunehmende Breite haben, und/oder dass die Leitschaufelkanäle (242") zwischen der gehäusekanalseitigen Leitschaufelkanalöffnung (248") und der laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnung (70) eine in Bezug auf eine zu der Rotationsachse (18) senkrechte Ebene von der Engstelle (250") zu der laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnung (70) hin zunehmende Höhe (h) haben.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelkanäle (42) jeweils eine von einer dem Laufrad (16) zugewandten Wandfläche (46) und von einer dem Laufrad (16) abgewandten Wandfläche (44) gleichmäßig beabstandete Mitte (62) haben, die das Querschnittsprofil eines Leitschaufelkanals (42) in einen gehäusekanalseitigen Abschnitt (65) und einen laufradseitigen Abschnitt (67) teilt, wobei das Querschnittsprofil eines jeden Leitschaufelkanals in Bezug auf die Mitte (62) unsymmetrisch ist.
Strömungsmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gehäusekanalseitige Abschnitt (65) und der laufradseitige Abschnitt (67) jeweils eine freie Querschnittsfläche für das Hindurchtreten von Arbeitsmedium haben, wobei die freie Querschnittsfläche des laufradseitigen Abschnitts (67) ist größer als die freie Querschnittsfläche des gehäusekanalseitigen Abschnitts (65).
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäusekanalseitigen Leitschaufelkanalöffnungen (48) auf einer zu der Rotationsachse (18) koaxial angeordneten Zylindermantelfläche (56) liegen und die Leitschaufelkanäle (42) das Arbeitsmedium in der Mitte mit einem Strömungsweg (60) führen, der die Zylindermantelfläche (56) in einem Schnittpunkt (63) durchsetzt, in dem die Tangente (64) an den Strömungsweg (60) und die in einer zu der Rotationsachse (18) senkrechten Ebene liegende Tangente (66) an die Zylindermantelfläche (56) einen Winkel α1 bilden, für den gilt: 5°<α1<20°, und/oder dass die laufradseitigen Leitschaufelkanalöffnungen (70) auf einer zu der Rotationsachse (18) koaxial angeordneten Zylindermantelfläche (68) liegen und das Arbeitsmedium in der Mitte mit einem Strömungsweg (60) führen, der die Zylindermantelfläche (68) in einem Schnittpunkt (72) durchsetzt, in dem die Tangente (74) an den Strömungsweg (60) und die in einer zu der Rotationsachse (18) senkrechten Ebene liegende Tangente (76) an die Zylindermantelfläche (68) einen Winkel α2 bilden, für den gilt: 5 ≤α2<20°.
Strömungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (28) eine im Wesentlichen sichelförmige Querschnittskontur aufweisen und eine konkave Schaufelfläche (78) haben, die sich von einer den Leitschaufelkanälen (42) zugewandten ersten Schaufelkante (52) zu einer den Leitschaufelkanälen (42) abgewandten zweiten Schaufelkante (54) erstreckt, wobei eine in einer zu der Rotationsachse (18) senkrechten Ebene liegende an der ersten Schaufelkante (52) an die konkave Schaufelfläche (78) angelegte Tangente (80) mit einer die erste Schaufelkante (52) durchsetzenden und die Rotationsachse (18) senkrecht schneidenden Geraden (81) einen stumpfen Winkel $\tilde{β 1} = β 1 + 90 °$
bildet, für den gilt: $5 ° \leq \tilde{β 1} - 90 ° \leq 45 ° .$
Strömungsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einer zu der Rotationsachse (18) senkrechten Ebene liegende an der zweiten Schaufelkante (54) an die konkave Schaufelfläche (78) angelegte Tangente (80) mit einer die zweite Schaufelkante (54) durchsetzenden und die Rotationsachse (18) senkrecht schneidenden Geraden (89) einen spitzen Winkel $\tilde{β 2} : = 90 ° - β 2$
bildet, für den gilt: $5 ° \leq 90 -$
$\tilde{β 2} \leq 90 °,$
und/oder dass der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen (42) zugewandten ersten Schaufelkante (52) einer jeden Laufradschaufel (28) von der Rotationsachse (18) und der Abstand r₁ der den Leitschaufelkanälen abgewandten zweiten Schaufelkante (54) einer jeden Laufradschaufel (28) von der Rotationsachse (18) folgender Beziehung genügt: 70% < r₁/r₂< 80%, und/oder dass die Anzahl Z der Laufradschaufeln (28) des Laufrads (16) folgender Beziehung genügt: $Z \approx C \cdot r_{1} / r_{2},$
wobei r₂ der Abstand der den Leitschaufelkanälen (42) zugewandten ersten Schaufelkante (52) einer jeden Laufradschaufel (28) von der Rotationsachse (18) und r₁ der Abstand der den Leitschaufelkanälen (42) abgewandten zweiten Schaufelkante (54) einer jeden Laufradschaufel (28) von der Rotationsachse (18) ist und C eine Konstante ist, mit 70 ≤ C ≤ 90 ist und/oder dass der Abstand r₂ der den Leitschaufelkanälen (42) zugewandten ersten Schaufelkante (52) einer jeden Laufradschaufel (28) von der Rotationsachse (18) und die zu der Rotationsachse (18) parallele Höhe (h_E) der ersten Schaufelkante (52) einer jeden Laufradschaufel (28) folgender Beziehung genügt: 12% ≤ h_E/r₂ ≤ 28%.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (16) einen die Laufradschaufeln (28) aufnehmenden Laufradschaufelträger (26) mit einer rotationssymmetrischen von Arbeitsmedium anströmbaren Leitkontur (87) hat, die einen Strömungsweg (88) für das Arbeitsmedium zwischen den Laufradschaufelkanälen (84) und einem Diffusorraum (34) umlenkt.
Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitkontur (87) in den Diffusorraum (34) erstreckt ist.
Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelkanäle (42) in dem Gehäuse (12) mit an einem ringförmigen Leitschaufelträger (20) aufgenommenen mittels einer Abdeckung (36) abgedeckten spiralförmige Leitschaufeln (22) gebildet sind, die eine der Rotationsachse (18) abgewandte konvexe Schaufelfläche (44) haben, und/oder dass der Leitschaufelträger (20) und die Abdeckung (36) einen zu dem Gehäusekanal (24) geöffneten und in die Leitschaufelkanäle (42) mündenden Ausgleichsraum (41) mit einem sich in der zu der Rotationsachse (18) weisenden Richtung verjüngen Querschnitt definiert.
Strömungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (22) Schaufelflächen (44, 46) haben, die zu der Rotationsachse (18) parallel sind.
Strömungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln (22) in einer den Laufradkanälen (84) zugewandten Strömungsrichtung für das Arbeitsmedium zunimmt.
Strömungsmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Leitschaufeln (22) mit zunehmendem Abstand von der Rotationsachse (18) abnimmt.
Verwendung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildeten Strömungsmaschine (10) als Turbine in einem Organic-Rankine-Kreisprozess oder als Verdichter für das Verdichten von gasförmigem Medium.