EP3140549A1 - Strömungsumlenkung bei einer strömungsmaschine - Google Patents

Strömungsumlenkung bei einer strömungsmaschine

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Publication number
EP3140549A1
EP3140549A1 EP15733463.2A EP15733463A EP3140549A1 EP 3140549 A1 EP3140549 A1 EP 3140549A1 EP 15733463 A EP15733463 A EP 15733463A EP 3140549 A1 EP3140549 A1 EP 3140549A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow
segment
deflecting
deflection
fluid flow
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15733463.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ludger Alfes
Wolfgang Freund
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3140549A1 publication Critical patent/EP3140549A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F04D25/163—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows driven by a common gearing arrangement
    • 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
    • F04D29/4213—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps suction ports
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    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
    • F15D1/04—Arrangements of guide vanes in pipe elbows or duct bends; Construction of pipe conduit elements for elbows with respect to flow, e.g. for reducing losses of flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L43/00—Bends; Siphons
    • F16L43/001—Bends; Siphons made of metal
    • F16L43/002—Bends; Siphons made of metal and formed from sheet having a circular passage
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    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/292—Three-dimensional machined; miscellaneous tapered

Definitions

  • the invention relates to a device for deflecting a fluid flow for a turbomachine, in particular for a multi-stage compressor, such as a Getriebeturbover Actually Disposement, and a method for producing such a device.
  • Compressors or fluid compressing devices are used in various industries for various applications involving compression or compression of fluids, especially (process) gases.
  • Known examples of this are turbo compressors in mobile industrial applications, such as in exhaust gas turbochargers or in jet engines, or in stationary industrial applications, such as gearbox or turbo compressor for air separation.
  • a plurality of such compressor stages can be connected in series, wherein the fluid to be compressed is guided from the compressor stage to the compressor stage.
  • turbocompressors As types of turbocompressors, a distinction is made between radial and axial compressors.
  • the fluid to be compressed for example a process gas
  • the fluid to be compressed flows in a direction parallel to Axle (axial direction) through the compressor.
  • the gas flows axially into the impeller of
  • the 90 ° elbow in the form of two individually manufactured, each cut to 45 ° or produced from correspondingly cut ⁇ cut sheets, (at the 45 ° cutting edges) welded together hollow cylinders with the same internal cross-sections.
  • a (concentric) Re ⁇ duzier for example a DIN-part according to DIN 2616 in the form of a (concentric) cone with a cone angle (hal ⁇ via opening angle between the surface line and the
  • Cone axis of about 30 °, which is a pipeline nominal width of the 90 ° elbow or its supply to a
  • Ver Whyrsaugnennweite the corresponding (downstream of the fluid) compressor stage reduced.
  • the invention has for its object to realize a Strömungsum- steering for a turbomachine, which improves the disadvantages of the prior art, in particular which is simple and inexpensive to produce and allows a uniform and vortex-free flow.
  • the object is achieved by a device for deflecting a fluid flow for a turbomachine, in particular for a multi-stage compressor, and a method for producing such a device having the features according to the respective independent claim.
  • the device for deflecting a fluid flow for a turbomachine in particular for a multi-stage compressor, and a method for producing such a device having the features according to the respective independent claim.
  • Turbomachine provides a first tubular Strömungsum- steering segment with a first flow inlet and ei ⁇ ner first flow outlet opening and a first segment longitudinal axis.
  • the fluid flow may be the first flow diverting segment (entering at the first flow inlet) from the first Flow inlet opening - in the first flow direction along the first segment longitudinal axis (also simplified only tube (- middle / longitudinal) axis) - to the first Strömungsaustrittsöff ⁇ tion (where exiting at the first flow outlet opening) flow through.
  • the device for deflecting a fluid flow for a turbomachine provides a second flow deflection segment - also with a second flow inlet and a second flow outlet opening and a second segment longitudinal axis.
  • the fluid flow can flow through the second flow deflection segment (entering at the second flow inlet opening) from the second flow inlet opening-in the second flow direction along the second segment longitudinal axis-to the second flow outlet opening (exiting there at the second flow outlet opening).
  • the first flow outlet opening of the first Strömungsum- steering segment is connected to the apparatus in such a manner with the two ⁇ th flow inlet opening of the second segment Strömungsumlen- effect that the second segment of the longitudinal axis is inclined by a predetermined inclination angle relative to the longitudinal axis of the first segment.
  • the first flow deflection segment is - via its first flow outlet opening with the second flow deflection segment - at local second Strö ⁇ mung inlet opening - connected (seam) - tilted / tilted by a predetermined kink or inclination angle against the second Strö ⁇ mungsumlenkungssegment.
  • the flow of fluid can thus - when flowing through the two flow deflection segments along the first and the second segment longitudinal axis - by a (dependent on the predetermined inclination / bending angle) deflection angle (bending / inclination angle and deflection angles are mutually complementary to 180 °) vice ⁇ deflects.
  • connection between the flow deflection segments can be realized by means of a joining method, in particular by a thermal joining method, such as welding
  • the device then provides that the first one
  • the internal cross-sectional variation of a flow deflection segment via a (longitudinal) portion or each of a plurality of (longitudinal) can portions of the longitudinal extension of the Strö ⁇ mung deflection segments or over the entire Leksser ⁇ extension of the flow deflection segment continuously and / or batchwise, in one or done in several stages.
  • the device here sees one (or two) tubular body (hollow) through which the fluid or fluid flow can flow with a simultaneous integrated change in cross-section ("integrated reducing device").
  • the device realized so in a simple and inexpensive way a flow deflection with simultaneous
  • Cross-section reduction simultaneously (in one component) - and not (in the flow direction) behind one another or in the flow direction following the deflection, so the device can also build compact and space saving, are additional, separate (below the flow deflection to be built ⁇ end) cross-sectional adjustments / Adaptation pieces, in particular reducers or reducers, are no longer necessary here.
  • the device realizes with its cross-section-reducing segments at its interface between the two flow deflection segments a small or reduced flow cross-section (in comparison to non-cross-section-reducing segment bends), which reduces the cost of materials in the device, their costs and Processing costs reduced.
  • the device can be so particular suction lines in multi-stage compressors, such as in Gereteturboverdichtern, (which suction lines flow deflections (from one to the next compressor stage) and
  • a conical tube is divided into two tube segments by a miter cut (with a predefinable miter cutting angle of, for example, approximately 45 °), whereby the first and the second flow deflection segments are formed become .
  • the first flow outlet opening of the first Strömungsum- steering segment forms the one Mithrungsterrorism
  • the second flow inlet opening of the second flow deflection segment forms the other miter cut surface.
  • the two pipe segments are then joined together at their miter cuts, for example by means of a thermal joining process, such as welding, (one pipe segment being inclined relative to the other by twice the bevel cutting angle (inclination angle) and with the two segment longitudinal axes offset from one another). , whereby the connection between the first and the second Strömungsumlenkungssegment (with there inclination / bending angle) - and so the device for deflecting a fluid flow for a turbomachine - made ⁇ the ⁇ .
  • a thermal joining process such as welding
  • the method thus allows for easy, material and
  • exactly one first and one second flow deflection segment if appropriate connected to one another by means of a thermal or mechanical joining process, are provided.
  • a streamlined 90 ° (segment) manifolds (90 ° Deflection / deflection angle) can be realized.
  • the first flow deflection segment at its first flow outlet opening has a 45 ° (miter) cut (hereinafter also generally referred to as cut edge) and / or the second flow - Mung deflection segment at its second flow inlet ⁇ opening has a 45 ° (miter) section.
  • the first flow deflection segment can also have a 45 ° (miter) cut / cut edge at its first flow inlet opening or the second flow deflection segment can te flow deflection segment at its second Strömungsaus ⁇ outlet opening a 45 ° (miter) cut / cut edge on ⁇ wise.
  • a plurality of the first and / or second Strömungsumschungs- segments are provided.
  • this development realizes a "multi / multi-segment manifold" whose "individual kinks" between each two of the flow deflection segments add up to the total kink - and thus to the total deflection.
  • the individual segments can be connected to each other by means of a thermal and / or mechanical joining process.
  • the individual segments can also be produced by mitring cuts on a conical tube therefrom . If the flow diversion is distributed over several / many individual kinks, a particularly streamlined (total) deflection can be realized thereby.
  • flow guide elements in particular straight flow conducting sheets and / or curved deflecting vanes are arranged.
  • the flow guidance in the device can be improved and / or secondary disturbances by vortices in the region of the deflection / deflections can be minimized.
  • Such flow guide can be inserted into the device or into the interior of the device, for example, transferred to the flow deflection segments provided / incorporated slots - and then by means of a Fügever ⁇ driving, such as a thermal joining method, for example by welding, within (for example by an internal weld) and / or outside (for example by an external weld) are fixed to the device.
  • a Fügever ⁇ driving such as a thermal joining method, for example by welding, within (for example by an internal weld) and / or outside (for example by an external weld) are fixed to the device.
  • additional, additional attachment parts such as an additional tube or a further tube guide and / or a reduction, may be provided on the device.
  • a further tubular Strömungsseg ⁇ ment in particular straight pipe segment or a Reduzierseg- ment.
  • complex flow guides can be made streamlined. If a (flow) cross-section reduction or a part of a required (total) cross-section reduction already takes place through the device, then a cone angle at a Reduziersegment (reduction) - streamlined - can turn out to the predetermined (total)
  • Compressor suction range to realize.
  • first and / or the second flow deflection segment consist of a metal connection.
  • Sheet metal / sheet metal parts are particularly preferably used ⁇ bar, such parts are available inexpensively.
  • the device in a suction line of a
  • Compressor stage of a multi-stage compressor in particular a transmission compressor is arranged.
  • the device can thus - in a particularly simple, inexpensive, compact and streamlined manner - direct the flow and its cross section of nominal pipe diameter
  • the device can also be used for other types of turbomachines, such as turbines, for local flow guidance, for example between turbine stages.
  • turbomachines such as turbines
  • local flow guidance for example between turbine stages.
  • FIG. 2 shows a bladed segmental manifold in a suction line in a multi-stage transmission compressor.
  • Exemplary embodiment concentrically bladed manifold in a multistage transmission compressor (FIG. 1)
  • a process gas 2 in a multi-stage gear compressor 3 from an intercooler 26 between two compressor stages 28, 29, ie (in general nomenclature) a first 28 and a subsequent second compressor stage 29, is from Aufstel ⁇ lt] lungs strictlyn reasons or structural reasons, a flow of the process gas 2 with a flow deflection of 90 ° necessary.
  • This flow guidance or the 90 ° flow deflection is 15 compact as possible with small dimensions and strömungsgüns ⁇ tig to make the transmission compressor 3 even compact and cost-effective and with high efficiency.
  • the process gas flow after the 90 ° deflection should be performed uniformly without disturbing vortex in the compressor suction side 27 of the second compressor stage 29, thereby 30 a uniform flow of impellers (not shown) of this compressor stage 29 and a high efficiency of the compressor stage 29 and des Gear compressor 3 to ensure ⁇ afford.
  • FIG. 1 shows a detail of the flow guidance with a concentrically bladed 90 ° bend 1 in the suction line 21 between the first and the second compressor stage 28, 29 in the multi-stage gearbox compressor 3, which is on simple and cost-effective manner called requirements rea ⁇ linstrument.
  • FIG 1 shows, the concentrically bladed 90 ° elbow 1, a first conical 4 and a second conical segment 8, which by a 45 ° miter 15, 16 on a conical metallic tube 23 (each to the pipe center axis / -lijnsachse 7, 11 normal entrance 5 and exit surface 10) are made.
  • This conical tube 23 has a cone angle ( ⁇ , ⁇ ) 13, 14 of about 7.5 °, whereby an initial / initial cross-section 24 of about 1200 mm over a length (of the conical tube) of about 500 mm an end cross section 25 of about 1069 mm
  • the conical tube 23 By a - in some the middle of the longitudinal extent of the conical tube 23 attached - 45 ° miter 15, 16 (cutting edge is tilted by 45 ° to the normal to the pipe center line or pipe axis 7, 11), the conical tube 23 in two ( Tei ⁇ le / segments 4, 8 separated, resulting in the two segments 4, 8 "their" 45 ° miter cut surfaces (as the outlet opening 6 of the first 4 or as an inlet opening 9 of the second segment 8 forming surfaces ).
  • the compound is unsymmetrical and the point of intersection 30 of the two center lines 7, 11 of the two segments 4, 8 is situated, as FIG 1 shows outside the miter cut / the miter cut ⁇ surfaces or connecting surface / Buckling surface (6/15, 9/16).
  • the ⁇ ser offset of the intersection point 30 enables the two segments 4, 8 at their miter cuts / -flachen (6/15, 9/16) aerodynamically be welded without edge offset.
  • Compressor suction range 25, here 1069 mm Compressor suction range 25, here 1069 mm) streamlined into a component, which also builds compact and space-saving integrated. Furthermore realized the 90 ° elbow 1 with his
  • cross-section reducing two segments 4, 8 at their interface a small or reduced flow cross-section 17 (compared to non-cross section reducing segment bend), which reduces the cost of materials - since thinner wall thicknesses at the conical tube 23 are possible - at the 90 ° elbow 1 and thereby also the costs and proces ⁇ maintenance effort reduced.
  • the following curved curved guide vanes 18 are used in the region of the miter cut (6/15, 9/16) or the segment connection .
  • slits 31 are introduced into the 90 ° bend 1 over the circumference 17 in the area of the segment connection (6/15, 9/16), in which the deflection vanes are distributed uniformly 18 are inserted into the interior of the 90 ° elbow 1 - and fixed by Au- hversch conductedung on the 90 ° elbow 1.
  • the process gas 2 flows through a 100 mm short, cylindrical, immediately (in the flow direction) after the 90 ° elbow 1 arranged pipe section 33, which also has the Ver Whyrsaugnennweitenquerrough 25 of about 1069 mm.
  • Flanged compressor stage 29 By this, shown in Figure 1, cost, low Mate ⁇ rialetzwand and welding cost-requiring, flow-efficient flow deflection with simultaneous reduction of the flow cross-section suction lines of transmission compressors can be made more compact and less expensive and streamlined. This makes it possible to reduce the overall installation space of transmission compressors or systems and thereby save further costs.
  • FIG 2 shows a detail of an alternative Strö ⁇ mung lead in the suction line 21 of the transmission compressor 3 (of Figure 1), which alternative flow guide - as that of Figure 1 - in a simple and Inexpensive manner the ge ⁇ named requirements for such flow guides, such as compact design, streamlined, material-saving, easy to build, inexpensive, high efficiency realized.
  • the segment bend 1 has a plurality, ie in this case four, conical (in the following further used nomenclature one to four) (individual) segments 4, 8, 4, 8, which are formed by corresponding miter cuts 15, 16 on a conical metallic tube 23 (with each of the pipe center axis / longitudinal axis 7, 11, 7, 11 normal entry ⁇ 5 or exit surface 10) are made.
  • This conical tube 23 has a cone angle 13, 14 ( ⁇ , ⁇ ) of about 5 °, whereby a starting / starting cross-section 24 of about 1200 mm over a length (of the conical tube 23) of about 500 mm on a End cross section 35 of about 1113 mm redu ⁇ is reduced.
  • the conical tube 23 in four (approximately equally long) parts / segments 4, 8, 4, 8 separated, where ⁇ by itself at the four Segments 4, 8, 4, 8 "their" 15 ° face cut surfaces (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16)
  • a respectively cut part / segment 4, 8, 4, 8 is rotated / rotated by 180 ° about its respective center line 7, 11 to the respective other cut part / segment 4, 8, 4, 8 by 30 °, tilted / tilted by 30 ° 12 (Single-flow deflection 22) and then at the center line 7, 11 offset at the miter cut, ie on the edge coverage at both miter cut surfaces (6/15,
  • This respective offset of the crossing point 30 makes it possible to the segments 4, 8, 4, 8 at their miter cuts / - surfaces (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16) respectively to weld in a streamlined manner without edge offset.
  • straight flow-conducting sheets 18 are arranged in the middle two segments 8, 4 (segment two 8 and segment three 4) between the miter cuts (FIG. 15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16).
  • the process gas 2 After emerging from the segmental manifold 1 flows through (in Strö ⁇ flow direction 32 and with flow segment longitudinal / - central axis 20 in extension of the (fourth) segment length - / - central axis), the process gas 2, a conical, exhibiting a cone angle of approximately 7 °, 179 mm short, directly (arranged in flow ⁇ direction 32) after the Segmentkrümmer 1 Reduzie- extension piece 19, that the flow cross-section at the Pro ⁇ zessgasströmung (from the exit cross-section 35 at the wide Segmentkrümmer 1 of about 1113 mm) to the
  • This reduction piece 19 is then applied to a suction nozzle 34 at the suction side 27 of the second compressor stage being flanged ⁇ 28th
  • cost, low Mate ⁇ rialetzwand and welding effort required, flow-favorable flow deflection with simultaneous reduction of the flow cross-section suction lines of transmission compressors can be made more compact and cost effective and streamlined. This makes it possible to reduce the overall installation space of transmission compressors or systems and thereby save further costs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Strömungsumlenkung (2) für eine Strömungsmaschine (3), insbesondere für einen mehrstufigen Verdichter (3), wie einem Getriebeturboverdichter (3), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung (1). Die Vorrichtung (1) weist ein erstes und ein zweites rohrförmiges Strömungsumlenkungssegment (4, 8) mit einer ersten bzw. zweiten Strömungseintritts- (5, 9) und einer ersten bzw. zweiten Strömungsaustrittsöffnung (6, 10) sowie einer ersten bzw. zweiten Segmentlängsachse (7, 11) auf. Die erste Strömungsaustrittsöffnung (6) des ersten Strömungsumlenkungssegments (4) ist derart mit der zweiten Strömungseintrittsöffnung (9) des zweiten Strömungsumlenkungssegments (8) verbunden, dass die zweite Segmentlängsachse (11) um einen vorgebbaren Neigungswinkel (12) gegenüber der ersten Segmentlängsachse (7) geneigt ist. Um eine einfache und kostengünstige Vorrichtung (1) zu realisieren, ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Strömungsumlenkungssegment (4, 8) entlang ihrer jeweiligen Segmentlängsachse (7, 11) eine erste bzw. zweite Innenquerschnittsveränderung (13, 14) aufweisen/-t. Nach dem Verfahren ist vorgesehen, dass ein konisches Rohr (23) durch einen Gehrungsschnitt (15, 16) in zwei Rohrsegmente (4, 8) zerteilt wird und die zwei Rohrsegmente (4, 8) an ihren Gehrungsschnitten (15, 16) miteinander verbunden werden.

Description

Strömungsumlenkung bei einer Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströmung für eine Strömungsmaschine, insbesondere für einen mehrstufigen Verdichter, wie einem Getriebeturboverdichter, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung .
Verdichter bzw. fluidekomprimierende Vorrichtungen werden in verschiedenen Industriebereichen für verschiedene Anwendungen genutzt, bei denen es um eine Kompression oder Verdichtung von Fluiden, im Speziellen ( Prozess- ) Gasen, geht. Bekannte Beispiele hierfür sind Turboverdichter in mobilen industriellen Anwendungen, wie in Abgasturboladern oder in Strahltrieb- werken, oder auch in stationären industriellen Anwendungen, wie Getriebe- bzw. Getriebeturboverdichter für eine Luftzerlegung .
Bei einem solchen - in seiner Arbeitsweise kontinuierlich ar- beitenden - Turboverdichter wird die Druckerhöhung (Verdichtung) des Fluids dadurch bewirkt, dass ein Drehimpuls des Fluids von Eintritt zu Austritt durch ein rotierendes, radial erstreckende Schaufeln aufweisendes Laufrad des Turboverdich¬ ters durch die Rotation von den Schaufeln erhöht wird. Hier, d.h. in einer solchen Verdichterstufe, steigen Druck und Temperatur des Fluids, während die relative (Strömungs-) Ge¬ schwindigkeit des Fluids im Laufrad bzw. Turbolaufrad sinkt.
Um eine möglichst hohe Druckerhöhung bzw. Verdichtung des Fluids zu erreichen, können mehrere solcher Verdichterstufen hintereinander geschaltet werden, wobei das zu komprimierende Fluid von Verdichterstufe zu Verdichterstufe geführt wird.
Als Bauformen von Turboverdichtern unterscheidet man zwischen Radial- und Axialverdichtern.
Bei dem Axialverdichter strömt das zu komprimierende Fluid, beispielsweise ein Prozessgas, in paralleler Richtung zur Achse (Axialrichtung) durch den Verdichter. Bei dem Radialverdichter strömt das Gas axial in das Laufrad der
Verdichterstufe und wird dann nach außen (radial, Radialrich¬ tung) abgelenkt. Insbesondere bei mehrstufigen Radialverdich- tern wird damit hinter jeder Stufe eine Strömungsumlenkung bei dem strömenden Fluid notwendig.
Kombinierte Bauarten von Axial- und Radialverdichtern saugen mit ihren Axialstufen große Volumenströme an, die in den an- schließenden Radialstufen auf hohe Drücke komprimiert werden.
Während meist einwellige Maschinen zum Einsatz kommen, sind bei (mehrstufigen) Getriebeturboverdichtern (kurz im Folgenden auch nur Getriebeverdichter) die einzelnen
Verdichterstufen um ein Getriebegehäuse herum gruppiert, wo¬ bei mehrere parallele (Ritzel- ) Wellen, die jeweils ein oder zwei - in der Regel in als Gehäuseanbauten realisierte Spi¬ ralgehäusen aufgenommene - Laufräder (an freien Wellenenden der Ritzelwellen angeordnete Turbolaufräder) tragen, von ei- nem großen, im Gehäuse gelagerten Antriebszahnrad, einem Großrad, angetrieben werden.
Auch hier, d.h. bei diesen Getriebeverdichtern, ist eine - meist komplexe - Strömungsführung mit entsprechenden Strö- mungsumlenkungen bei dem strömenden Fluid notwendig, um das zu komprimierende Fluid von einer Verdichterstufe - gegebe¬ nenfalls über einen Zwischenkühler - zur nächsten
Verdichterstufe zu leiten. Ein solcher Getriebeverdichter, ein Getriebeverdichter der
Firma Siemens mit der Bezeichnung STC-GC, eingesetzt für die LuftZerlegung, ist aus
http : / /www . energy . Siemens . com/hg/de/verdichtung-expansion- gc . htm (erhältlich am 02.06.2014) bekannt .
Sind bei diesen mehrstufigen Verdichtern, wie den Getriebeverdichtern, - zur Druckerhöhung - mehrere Verdichterstufen hintereinander geschaltet, so ist es erforderlich, das zu komprimierende Fluid - gegebenenfalls über einen Zwischenküh¬ ler - von einer Verdichterstufe zur nächsten zu führen. Hierbei ist eine, meist über mehrere Strömungsumlenkungen führen- de komplexe, Strömungsführung vorgesehen bzw. notwendig, welche strömungstechnischen und/oder bautechnischen Randbedingungen, wie kompakte Bauformen mit kurzen Strömungswegen, sich verändernde/verringernde Strömungsquerschnitte bei strö¬ mungsführenden Leitungen sowie gleichförmige, stetige und wirbelfreie Strömungsverhältnisse beim strömenden Fluid bzw. in den strömungsführenden Leitungen, genügen muss.
Es ist beispielsweise bekannt, die Strömungsumlenkung bei ei¬ ner Strömungsführung zwischen zwei Verdichterstufen eines Ge- triebeverdichters bzw. in einer Saugleitung zu einer
Verdichterstufe des Getriebeverdichters durch einen beschau¬ felten 90° Krümmer mit anschließendem Reduzierstück zu realisieren . Dabei ist der 90° Krümmer in Form von zwei einzelgefertigten, jeweils auf 45° geschnittenen bzw. aus entsprechend zuge¬ schnittenen Blechen hergestellten, (an den 45° Schnittkanten) miteinander verschweißten Hohlzylindern mit gleichen Innenquerschnitten ausgeführt. An den 90° Krümmer schließt sich in Strömungsrichtung des Fluids ein (konzentrisches) Re¬ duzierstück, beispielsweise ein DIN-Teil nach DIN 2616, in Form eines (konzentrischen) Konus mit einem Konuswinkel (hal¬ ber Öffnungswinkel zwischen der Mantellinie und der
Konusachse) von ca. 30° an, welcher eine Rohrleitungsnennwei- te des 90° Krümmers bzw. dessen Zuführung auf eine
Verdichtersaugnennweite der entsprechenden (in Strömungsrichtung des Fluids nachfolgenden) Verdichterstufe reduziert.
Ist bei einer solchen Strömungsumlenkung mittels des 90° Krümmers der Innendurchmesser an der Naht-/ (90°) Knick-
/Schweißstelle der beiden Krümmerteile/Hohlzylindern groß, sind - drucktechnisch bedingt - dort dicke Wandstärken bei den beiden Krümmerteilen/Hohlzylindern erforderlich. Dicke Wandstärken bei den Krümmerteilen des 90° Krümmers erfordern aber einen erhöhten Materialaufwand bei diesen bzw. diesem, was wiederum kostenungünstig ist. Auch der Verarbeitungsauf¬ wand ist dadurch erhöht.
Darüber hinaus ist eine Querschnittsreduzierung im Reduzierstück mit - einem derart steilen - Konuswinkel von ca. 30° hoch/groß, was strömungstechnisch nachteilig ist. Aus dem Dokument, „Druckverlust in Segment-Krümmern ohne und mit Gutbeladung", Yoshinobu Morikawa, Osaka, Georg Segler, Stuttgart-Hohenheim, Gründl. Landtechnik Bd. 20 (1970) Nr. 5, sind technische Untersuchungen an 90° Krümmern bei pneumati¬ schen Förderanlagen - mit verschiedenen Ausführungen von 90° Krümmern als gebogene Rohrkrümmer oder als geschweißte Seg¬ mentkrümmer - bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsum- lenkung für eine Strömungsmaschine zu realisieren, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik verbessert, insbesondere welche einfach und kostengünstig herstellbar ist sowie eine gleichförmige und wirbelfreie Strömung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströmung für eine Strömungsmaschine, insbesondere für einen mehrstufigen Verdichter, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst. Die Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströmung für eine
Strömungsmaschine sieht ein erstes rohrförmiges Strömungsum- lenkungssegment mit einer ersten Strömungseintritts- und ei¬ ner ersten Strömungsaustrittsöffnung sowie einer ersten Segmentlängsachse vor.
Damit kann - vereinfacht und anschaulich ausgedrückt - die Fluidströmung das erste Strömungsumlenkungssegment (an der ersten Strömungseintrittsöffnung eintretend) von der ersten Strömungseintrittsöffnung - in erster Strömungsrichtung längs der ersten Segmentlängsachse (vereinfacht auch nur Rohr(- mitten/längs- ) achse) - zu der ersten Strömungsaustrittsöff¬ nung (dort an der ersten Strömungsaustrittsöffnung austre- tend) durchströmen.
Weiter sieht die Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströ- mung für eine Strömungsmaschine ein zweites Strömungsumlen- kungssegment - auch mit einer zweiten Strömungseintritts- und einer zweiten Strömungsaustrittsöffnung sowie einer zweiten Segmentlängsachse - vor.
Auch hier kann - vereinfacht und anschaulich ausgedrückt - die Fluidströmung das zweite Strömungsumlenkungssegment (an der zweiten Strömungseintrittsöffnung eintretend) von der zweiten Strömungseintrittsöffnung - in zweiter Strömungsrichtung längs der zweiten Segmentlängsachse - zu der zweiten Strömungsaustrittsöffnung (dort an der zweiten Strömungsaustrittsöffnung austretend) durchströmen.
Die erste Strömungsaustrittsöffnung des ersten Strömungsum- lenkungssegments ist bei der Vorrichtung derart mit der zwei¬ ten Strömungseintrittsöffnung des zweiten Strömungsumlen- kungssegments verbunden, dass die zweite Segmentlängsachse um einen vorgebbaren Neigungswinkel gegenüber der ersten Segmentlängsachse geneigt ist.
Vereinfacht ausgedrückt, das erste Strömungsumlenkungssegment ist - über ihre erste Strömungsaustrittsöffnung mit dem zwei- ten Strömungsumlenkungssegment - an dortiger zweiter Strö¬ mungseintrittsöffnung - verbunden (Nahtstelle) - um einen vorgebbaren Knick- bzw. Neigungswinkel gegen das zweite Strö¬ mungsumlenkungssegment geneigt/-kippt . Die Fluidströmung kann so - bei Durchströmung der zwei Strö- mungsumlenkungssegmente längs der ersten bzw. der zweiten Segmentlängsachse - um einen (von dem vorgebbaren Neigungs- /Knickwinkel abhängigen) Umlenkwinkel (Knick-/Neigungswinkel und Umlenkwinkel sind zueinander zu 180° komplementär) umge¬ lenkt werden.
Die Verbindung zwischen den Strömungsumlenkungssegmenten kann dabei mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere durch ein thermisches Fügeverfahren, wie Schweißen, realisiert
sein/werden .
Weiter sieht die Vorrichtung dann vor, dass das erste
und/oder das zweite Strömungsumlenkungssegment entlang ihrer jeweiligen Segmentlängsachse eine erste bzw. zweite
Innenquerschnittsveränderung aufweisen/-t .
Dabei kann die Innenquerschnittsveränderung eines Strömungs- umlenkungssegments über einen (Längs- ) Abschnitt oder jeweils mehrere (Längs- ) Abschnitte der Längserstreckung des Strö¬ mungsumlenkungssegments oder auch über die gesamte Längser¬ streckung des Strömungsumlenkungssegments kontinuierlich und/oder auch diskontinuierlich, in einer oder in mehreren Stufen erfolgen.
Anschaulich ausgedrückt, die Vorrichtung sieht hier einen (oder zwei) rohrförmigen, von dem Fluid bzw. der Fluidströ- mung durchströmbaren (Hohl- ) Körper mit gleichzeitiger inte- grierter Querschnittsveränderung („integriertes Reduzier-
/Erweiterungsstück" bzw. „Segment ist gleichzeitig Reduzie¬ rung ( -sstück) /Erweiterung ( -sstück) " ) vor .
Die Vorrichtung realisiert so auf einfache und kostengünstige Weise eine Strömungsumlenkung mit gleichzeitiger
Strömungsquerschnittsanpassung. Insbesondere bei geforderten großen Rohrleitungsnennweiten (wie beispielsweise in Saugleitungen zu Verdichterstufen bei mehrstufigen Verdichtern) , wie im Bereich von größer als 600 mm, beispielsweise im Bereich von ungefähr 650 mm bis 3000 mm, welche Rohrleitungsnennwei¬ ten oberhalb von Querschnitten von Standard-Rohrbogen von max . ca. 600 mm liegen, erweist sich die Vorrichtung als kos¬ tensparende Lösung. Erfolgt die Strömungsumlenkung und die
Strömungsquerschnittsanpassung, insbesondere eine
Querschnittsreduzierung, gleichzeitig (in einem Bauteil) - und nicht (in Strömungsrichtung) hintereinander bzw. in Strömungsrichtung nachfolgend der Umlenkung, so kann die Vorrichtung auch kompakt und Bauraum sparend bauen, sind zusätzliche, separate (nachfolgend der Strömungsumlenkung zu verbau¬ ende) Querschnittsanpassungen/-anpassstücke, insbesondere Re- duzierungen bzw. Reduzierungsstücke, hier nicht mehr notwendig .
Des Weiteren realisiert die Vorrichtung - im Falle einer Querschnittsreduzierung - mit ihren querschnittsreduzierenden Segmenten an deren Nahtstelle zwischen den zwei Strömungsum- lenkungssegmenten einen kleinen bzw. verkleinerten Strömungsquerschnitt (im Vergleich zu nicht querschnittsreduzierenden Segmentkrümmern) , was den Materialaufwand bei der Vorrichtung verringert, deren Kosten und Verarbeitungsaufwand reduziert.
Mit der Vorrichtung lassen sich so insbesondere Saugleitungen bei mehrstufigen Verdichtern, wie bei Getriebeturboverdichtern, (welche Saugleitungen Strömungsumlenkungen (von einer zur nächsten Verdichterstufe) und
Strömungsquerschnittsanpassungen (an die jeweiligen
Verdichtersaugnennweite) erfordern) , kostengünstig und strö¬ mungsgünstig (ohne (nennenswerte) Strömungsverluste) gestal¬ ten . Nach dem Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströmung für eine Strömungsmaschine ist vorgesehen, dass ein konisches Rohr durch einen Gehrungsschnitt (mit vorgebbarem Gehrungsschnittwinkel, von beispielsweise ungefähr 45°), in zwei Rohrsegmente zerteilt wird, wodurch das erste und das zweite Strömungsumlenkungssegment gebildet werden . Die erste Strömungsaustrittsöffnung des ersten Strömungsum- lenkungssegments bildet dabei die eine Gehrungsschnittfläche aus; die zweite Strömungseintrittsöffnung des zweiten Strö- mungsumlenkungssegments bildet die andere Gehrungsschnittflä- che aus .
Die zwei Rohrsegmente werden dann an ihren Gehrungsschnitten bzw. Gehrungsschnittflächen miteinander verbunden, beispielsweise mittels eines thermischen Fügeverfahrens, wie Schwei- ßen, (wobei ein Rohrsegment gegen das andere um den doppelten Gehrungsschnittwinkel (Neigungswinkel) geneigt wird und wobei die zwei Segmentlängsachsen versetzt zueinander liegen) , wodurch die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsumlenkungssegment (mit dortigem Neigungs- /Knickwinkel) - und so die Vorrichtung zur Umlenkung einer Fluidströmung für eine Strömungsmaschine - hergestellt wer¬ den .
Das Verfahren ermöglicht so auf einfache, Material und
Bauraum sparende, kompakt bauende und kostengünstige Weise die Integration von Strömungsumlenkung und
Strömungsquerschnittsreduzierung strömungsgünstig (ohne (nennenswerte) Strömungsverluste) in ein Bauteil. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch aus den abhängigen Ansprüchen und/oder aus nachfolgenden Erläuterungen - und beziehen sich sowohl auf die Vorrichtung als auch auf das Verfahren. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die
Innenquerschnittsveränderung eine
Innenquerschnittsreduzierung . D.h., in die Vorrichtung ist ein Reduzierstück „integriert", wodurch (Kosten/Bauraum) aufwändige „Doppelkonstruktionen" von Umlenkung und Reduzierung entfallen.
Weiter kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das erste
und/oder das zweite Strömungsumlenkungssegment ein bzw. je- weils ein konisches Rohrsegment ist, was bei solchen als Standardrohre verfügbaren konischen Rohren besonders kostengünstig ist. Hierbei erfolgt dann die Querschnittreduzierung kontinuierlich über die Längserstreckung des konischen Rohr- Segments, was strömungstechnisch besonders günstig ist.
Weiter kann ein Konuswinkel (halber Öffnungswinkel zwischen den Mantellinien und der Konusachse) eines solchen konischen Rohrsegments im Bereich von ungefähr 5° bis 25°, insbesondere aus strömungstechnischen Gründen in einem Bereich von ungefähr 7,5° bis 20°, besonders bevorzugt bei ca. 1,5°, liegen.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung sind genau ein erstes und ein zweites Strömungsumlenkungssegment , gegebenen- falls mittels eines thermischen oder mechanischen Fügeverfahrens miteinander verbunden, vorgesehen.
Hier kann dann weiterbildend der vorgebbare Neigungswinkel ungefähr 90° sein, wodurch sich so mit den (genau) zwei Strö- mungsumlenkungssegmenten - auf besonders einfache und Kos¬ ten/Bauraum sparende Weise - ein strömungsgünstiger 90° (Segment- ) Krümmer (mit 90° Umlenkung/Umlenkwinkel ) realisieren lässt . Beispielsweise kann für einen solchen 90° ( Segment- ) Krümmer dann weiter vorgesehen sein, dass das erste Strömungsumlenkungssegment an seiner ersten Strömungsaustrittsöffnung einen 45° (Gehrungs- ) Schnitt (im Folgenden im Allgemeinen auch als Schnittkante bezeichnet) aufweist und/oder das zweite Strö- mungsumlenkungssegment an seiner zweiten Strömungseintritts¬ öffnung einen 45° (Gehrungs- ) Schnitt aufweist.
Diese kann besonders einfach dadurch realisiert werden, dass ein konisches Rohr auf 45° Gehrung zerteilt wird.
Ungeachtet dessen kann das erste Strömungsumlenkungssegment auch an seiner ersten Strömungseintrittsöffnung einen 45° (Gehrungs- ) Schnitt/Schnittkante aufweisen bzw. kann das zwei- te Strömungsumlenkungssegment an seiner zweiten Strömungsaus¬ trittsöffnung einen 45° (Gehrungs- ) Schnitt/Schnittkante auf¬ weisen . Hängen Neigungswinkel der Strömungsumlenkungssegmente und
(Gehrungs- ) Schnittwinkel an der ersten Strömungsaustrittsöff¬ nung und an der zweiten Strömungseintrittsöffnung, im Allgemeinen „Öffnungswinkel" an der Schnittkante am
Strömungsumlenkungssegmentenaus- bzw. -eintritt, zusammen, so kann über die Bemessung des/der Schnittwinkels/-winkel der Neigungswinkel - und so der Umlenkwinkel bzw. Größe der Um- lenkung gestaltet bzw. bemessen werden.
Nach einer anderen besonders bevorzugten Weiterbildung sind mehrere von den ersten und/oder zweiten Strömungsumlenkungs- segmenten vorgesehen. Vereinfacht bzw. anschaulich ausgedrückt, diese Weiterbildung realisiert einen „Mehr/Viel- Segment-Krümmer" , deren „Einzelknicke" zwischen jeweils zwei der Strömungsumlenkungssegmente sich zum Gesamtknick - und so zur Gesamtumlenkung - addieren.
Die einzelnen Segmente können dabei mittels eines thermischen und/oder mechanischen Fügeverfahrens miteinander verbunden sein/werden .
Auch können die einzelnen Segmente jeweils durch Gehrungs¬ schnitte an einem konischen Rohr aus diesem hergestellt werden/sein . Erfolgt hier die Strömungsumlenkung über mehrere/viele Einzelknicke verteilt, so lässt sich hierdurch eine besonders strömungsgünstige (Gesamt- ) Umlenkung realisieren.
Beispielsweise kann hier vorgesehen sein, dass - zur Reali- sierung eines 90 ° -Mehrsegmentkrümmers (mit 90° Gesamtknick bzw. 90° Gesamtumlenkung) - vier Strömungsumlenkungssegmente mit drei jeweils 30° betragenden Einzelknicken (zwischen je- weils zwei der vier Strömungsumlenkungssegmente) (dort je¬ weils 150° Einzelumlenkung) vorgesehen sind.
Auch kann vorgesehen sein, an einem ersten Innenumfang des ersten Strömungsumlenkungssegments und/oder an einem zweiten Innenumfang des zweiten Strömungsumlenkungssegments und/oder an einem Innenumfang in einem Bereich an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsumlenkungssegment Strömungsleitelemente, insbesondere gerade strömungsleitende Bleche und/oder gebogene Umlenkschaufeln angeordnet sind.
Entsprechendes gilt auch für mehrere oder eine Vielzahl von Strömungsumlenkungssegmente . Hierdurch kann die Strömungsführung in der Vorrichtung verbessert und/oder Sekundärstörungen durch Wirbel im Bereich der Umlenkung/Umlenkungen minimiert werden.
Solche Strömungsleitelemente können beispielsweise über an den Strömungsumlenkungssegmenten vorgesehenen/eingebrachten Schlitzen in die Vorrichtung bzw. in das Innere der Vorrichtung eingeschoben - und anschließend mittels eines Fügever¬ fahrens, wie eines thermischen Fügeverfahrens, beispielsweise durch Schweißen, innerhalb (beispielsweise durch eine Innen- Schweißnaht) und/oder außerhalb (beispielsweise durch eine Außenschweißnaht) an der Vorrichtung fixiert werden.
Weiterhin können auch weitere, zusätzliche Anbauteile, wie ein zusätzliches Rohr bzw. eine weitere Rohrführung und/oder eine Reduzierung, an der Vorrichtung vorgesehen sein.
Insbesondere kann so vorgesehen sein, an der zweiten Strömungsaustrittsöffnung ein weiteres rohrförmiges Strömungsseg¬ ment, insbesondere gerades Rohrsegment oder ein Reduzierseg- ment anzuordnen. Hierdurch lassen sich komplexe Strömungsführungen strömungsgünstig gestalten. Erfolgt eine ( Strömungs- ) Querschnittreduzierung bzw. ein Teil einer geforderten (Gesamt- ) Querschnittreduzierung bereits durch die Vorrichtung, so kann dann ein Konuswinkel bei einem Reduziersegment (Reduzierung) - strömungsgünstiger - geringer ausfallen, um die vorgegebene (Gesamt-)
Querschnittsreduzierung, beispielsweise auf eine
Verdichtersaugnennweite, zu realisieren.
Strömungstechnisch günstig ist es auch, dieses weitere rohr- förmige Strömungssegment derart anzuordnen, dass deren Strö¬ mungssegmentlängsachse parallel zur zweiten Segmentlängsachse ausgerichtet ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass das erste und/oder das zweite Strömungsumlenkungssegment aus einer Metallverbindung beste- hen/-t. Bleche/Blechteile sind besonders bevorzugt verwend¬ bar, sind solche Teile kostengünstig beziehbar.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung in einer Saugleitung einer
Verdichterstufe eines mehrstufigen Verdichters, insbesondere eines Getriebeverdichters angeordnet ist. Die Vorrichtung kann so - auf besonders einfache, kostengünstige, kompakt bauende und strömungsgünstige Weise - die Strömung lenken und deren Querschnitt von Rohrleitungsnennweite auf
Verdichtersaugnennweite reduzieren .
Anders ausgedrückt, es wird ein mehrstufiger Verdichter, ins¬ besondere ein Getriebeverdichter, realisiert, welcher zumin- dest eine der Vorrichtungen zur Umlenkung einer Fluidströmung gegebenenfalls inklusive der beschriebenen Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen aufweist.
Auch ist die Vorrichtung für andere Arten von Strömungsma- schinen, wie Turbinen, zur dortigen Strömungsführung, beispielsweise zwischen Turbinenstufe, einsetzbar. Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammenge- fasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale wird der Fachmann jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen, das bzw. die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert wird bzw. werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in dem bzw. den Ausführungsbeispielen angegebene Kombination von Merkmalen beschränkt, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. So können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbei¬ spiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausfüh- rungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht werden.
Funktions-/bauartgleiche bzw. identische Elemente oder Kompo¬ nenten weisen in den Ausführungsbeispielen bzw. Figuren glei- che Bezugszeichen auf.
Es zeigen
FIG 1 einen konzentrisch beschaufelten Krümmer in einer
Saugleitung bei einem mehrstufigen Getriebeverdichter und
FIG 2 einen beschaufelten Segmentkrümmer in einer Saugleitung bei einem mehrstufigen Getriebeverdichter. Ausführungsbeispiel: Konzentrisch beschaufelter Krümmer bei einem mehrstufigen Getriebeverdichter (FIG 1)
Um ein Prozessmedium 2, d.h. ein Prozessgas 2, bei einem 5 mehrstufigen Getriebeverdichter 3 aus einem Zwischenkühler 26 zwischen zwei Verdichterstufen 28, 29, d.h. (in allgemeiner Nomenklatur) einer ersten 28 und einer nachfolgenden zweiten Verdichterstufe 29, des Getriebeverdichters 3 zur Saugseite 27 der zweiten Verdichterstufe 29 zu führen, ist aus Aufstel¬ lt] lungsgründen bzw. bautechnischen Gründen eine Strömungsführung des Prozessgases 2 mit einer Strömungsumlenkung um 90° notwendig .
Diese Strömungsführung bzw. die 90° Strömungsumlenkung ist 15 möglichst kompakt mit geringen Abmessungen und strömungsgüns¬ tig zu realisieren, um den Getriebeverdichter 3 selbst kompakt bauend und kostengünstig sowie mit hohem Wirkungsgrad zu gestalten .
20 Darüber hinaus ist bei der Strömungsführung zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe 28, 29 die Rohrleitungs¬ nennweite 24 auf die Verdichtersaugnennweite 25 der zweiten Verdichterstufe 29 zu reduzieren, um darüber die Strömungs¬ führung an die zweite Verdichterstufe 29 und dortiger
25 Verdichtersaugnennweite 25 der Saugleitung 21 anzuschließen.
Weiterhin soll die Prozessgasströmung nach der 90° Umlenkung gleichförmig, ohne störende Wirbel in die Verdichtersaugseite 27 der zweiten Verdichterstufe 29 geführt werden, um dadurch 30 eine gleichmäßige Anströmung von Laufrädern (nicht gezeigt) dieser Verdichterstufe 29 und einen hohen Wirkungsgrad der Verdichterstufe 29 bzw. des Getriebeverdichters 3 zu gewähr¬ leisten .
35 FIG 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Strömungsführung mit ei¬ nem konzentrisch beschaufelten 90° Krümmer 1 in der Saugleitung 21 zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe 28, 29 bei dem mehrstufigen Getriebeverdichter 3, welcher auf einfache und kostengünstige Weise genannte Anforderungen rea¬ lisiert .
Wie FIG 1 zeigt, weist der konzentrisch beschaufelte 90° Krümmer 1 ein erstes konisches 4 sowie ein zweites konisches Segment 8 auf, welche durch einen 45° Gehrungsschnitt 15, 16 an einem konischen, metallischen Rohr 23 (mit jeweils zu der Rohrmittelachse/-längsachse 7, 11 normaler Eintritts- 5 bzw. Austrittsfläche 10) hergestellt sind.
Dieses konische Rohr 23 weist einen Konuswinkel (γ, φ) 13, 14 von ca. 7,5° auf, wodurch ein Ausgangs-/Anfangsquerschnitt 24 von ca. 1200 mm über eine Länge (des konischen Rohrs) von ca. 500 mm auf einen Endquerschnitt 25 von ca. 1069 mm
(Verdichtersaugnennweite 25) reduziert wird.
Durch einen - in etwas der Mitte der Längsersteckung des konischen Rohres 23 angesetzten - 45° Gehrungsschnitt 15, 16 (Schnittkante ist dabei um die 45° gegen die Normale zur Rohrmittellinie bzw. Rohrlängsachse 7, 11 gekippt) wird das konische Rohr 23 in zwei (in etwa gleich lange) Tei¬ le/Segmente 4, 8 getrennt, wodurch sich an den zwei Segmenten 4, 8 „ihre" 45° Gehrungsschnittflächen (als Austrittsöffnung 6 des ersten 4 bzw. als Eintrittsöffnung 9 des zweiten Seg- ments 8 bildende Flächen) ergeben.
Der eine abgeschnittene Teil, in diesem Fall dann das zweite konische Segment 8, wird zum anderen abgeschnittenen Teil, in diesem Fall dann das erste konische Segment 4, um 180° um ih- re Mittellinie 11 gedreht/rotiert, um 90° ge-/verkippt 12 und dann an der Mittellinie 7 des ersten konischen Segments 4 versetzt am Gehrungsschnitt 15, d.h. über die Kantendeckung an beiden Gehrungsschnittflächen (6/15, 9/16) an den beiden Segmenten 4, 8, wieder angeschweißt.
Hierdurch ergibt sich eine 90° Verkippung 12 (bezüglich der zwei Segmentmittellinien/-längsachsen 7, 11) bei den zwei Segmenten 4, 8, wodurch die 90° Strömungsumlenkung 37 realisiert wird.
Durch die konische Ausführung/Form der zwei Segmente 4, 8 ist die Verbindung unsymmetrisch und der Kreuzungspunkt 30 der zwei Mittellinien 7, 11 der zwei Segmente 4, 8 liegt, wie FIG 1 zeigt, außerhalb des Gehrungsschnitts/der Gehrungsschnitt¬ flächen bzw. Verbindungsfläche/Knickfläche (6/15, 9/16). Die¬ ser Versatz des Kreuzungspunktes 30 ermöglicht es, die beiden Segmente 4, 8 an ihren Gehrungsschnitten/-flachen (6/15, 9/16) ohne Kantenversatz strömungsgünstig anzuschweißen.
Durch diese Ausführung werden 90° Strömungsumlenkung 37 und Reduzierung des Strömungsquerschnitts (von der anfänglichen Rohrleitungsnennweite 24, hier 1200 mm, auf die
Verdichtersaugnennweite 25, hier 1069 mm) strömungsgünstig in ein Bauteil, welches darüber hinaus kompakt und platzsparend baut, integriert. Des Weiteren realisiert der 90° Krümmer 1 mit seinen
querschnittsreduzierenden zwei Segmenten 4, 8 an deren Nahtstelle einen kleinen bzw. verkleinerten Strömungsquerschnitt 17 (im Vergleich zu nicht querschnittsreduzierenden Segmentkrümmern) , was den Materialaufwand - da dünnere Wandstärken bei dem konischen Rohr 23 möglich sind - bei dem 90° Krümmer 1 verringert und dadurch auch dessen Kosten und Verarbei¬ tungsaufwand reduziert.
Zur Verbesserung der Strömungsführung und um Sekundärstörun- gen durch Wirbel im Bereich der Umlenkung zu minimieren, werden, wie FIG 1 verdeutlicht, dem Strömungsverlauf folgende, gebogene Umlenkschaufeln 18 im Bereich des Gehrungsschnitts (6/15, 9/16) bzw. der Segmentverbindung eingesetzt. Dazu werden - über den Umfang 17 im Bereich der Segmentverbindung (6/15, 9/16) gleichmäßig verteilte - Schlitze 31 in den 90° Krümmer 1 eingebracht, in welche die Umlenkschaufeln 18 ins Innere des 90° Krümmers 1 eingeschoben - und durch Au- ßenverschweißung an dem 90° Krümmer 1 fixiert werden.
Über die Eintrittsöffnung 5 am ersten konischen Segment 4 strömt das Prozessgas 2 (über dortigem
Rohrleitungsnennweitenquerschnitt 24 von ca. 1200 mm) in den 90° Krümmer 1 ein, wird dort - geführt durch die Umlenkschau¬ feln 18 - gleichmäßig, ohne Verwirbelungen um 90° umgelenkt und strömt über die Austrittsöffnung 10 (über dortigem
Verdichtersaugnennweitenquerschnitt 25 von ca. 1069 mm) am zweiten konischen Segment 8 aus dem 90° Krümmer 1 aus.
Nach Austritt aus dem 90° Krümmer durchströmt das Prozessgas 2 ein 100 mm kurzes, zylindrisches, unmittelbar (in Strö- mungsrichtung) nach dem 90° Krümmer 1 angeordnetes Rohrstück 33, welches ebenfalls den Verdichtersaugnennweitenquerschnitt 25 von ca. 1069 mm aufweist.
Ein zusätzliches, Bauraum benötigendes und gegebenenfalls strömungsungünstiges Reduzierstück, welches - erst nach der Umlenkung - für eine Reduzierung des Strömungsquerschnittes auf Verdichtersaugnennweitenquerschnitt sorgen müsste, ist damit nicht mehr notwendig, tritt das Prozessgas 2 schon mit Verdichtersaugnennweite 25 aus dem 90° Krümmer 1 aus.
Dieses kurze, zylindrische Rohrstück 33 ist dann an einen Saugstutzen 34 an der Saugseite 27 der zweiten
Verdichterstufe 29 angeflanscht. Durch diese in FIG 1 gezeigte, kostengünstige, geringen Mate¬ rialaufwand und Schweißaufwand benötigende, strömungsgünstige Strömungsumlenkung mit gleichzeitiger Reduzierung des Strömungsquerschnitts können Saugleitungen von Getriebeverdichtern kompakter und kostengünstiger sowie strömungsgünstiger gestaltet werden. Hierdurch ist es möglich, den Gesamtauf- stellungsraum von Getriebeverdichtern bzw. Anlagen zu verringern und dadurch weitere Kosten zu sparen. Ausführungsbeispiel: Beschaufelter Segmentkrümmer bei einem mehrstufigen Getriebeverdichter (FIG 2) FIG 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer alternativen Strö¬ mungsführung bei der Saugleitung 21 des Getriebeverdichters 3 (aus FIG 1), welche alternative Strömungsführung - wie auch die aus FIG 1 - auf einfache und kostengünstige Weise die ge¬ nannten Anforderungen an solche Strömungsführungen, wie kom- pakte Bauweise, strömungsgünstig, Material sparend, einfach bauend, kostengünstig, hoher Wirkungsgrad, realisiert.
Auch diese Alternative, in der Saugleitung 21 zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe 28, 29 bei dem mehr- stufigen Getriebeverdichter 3 eingebaute Strömungsführung, d.h. ein beschaufelter (90°) Segmentkrümmer 1 (im Folgenden nur kurz Segmentkrümmer 1), realisiert die (Strömungs- )Umlenkung, hier auch 90° Umlenkung, und (Strömungs- ) Querschnittreduzierung in einem Bauteil.
Wie FIG 2 zeigt, weist der Segmentkrümmer 1 eine Mehrzahl, d.h. in diesem Fall von vier, konischen (in folgender weiter verwendeter Nomenklatur eins bis vier) (Einzel- ) Segmente 4, 8, 4, 8 auf, welche durch entsprechende Gehrungsschnitte 15, 16 an einem konischen, metallischen Rohr 23 (mit jeweils zu der Rohrmittelachse/-längsachse 7, 11, 7, 11 normaler Ein¬ tritts- 5 bzw. Austrittsfläche 10) hergestellt sind.
Dieses konische Rohr 23 weist einen Konuswinkel 13, 14 (γ, φ) von ca. 5° auf, wodurch ein Ausgangs-/Anfangsquerschnitt 24 von ca. 1200 mm über eine Länge (des konischen Rohrs 23) von ca. 500 mm auf einen Endquerschnitt 35 von ca. 1113 mm redu¬ ziert wird. Durch - jeweils bei einem Viertel der Gesamtlänge/- längserstreckung des konischen Rohres 23, entgegengesetzt ge¬ neigte angesetzte drei - 15° Gehrungsschnitte 15, 16
(Schnittkante ist dabei (jeweils entgegengesetzt geneigt) um die 15° gegen die Normale zur Rohrmittellinie bzw. Rohrlängs¬ achse 7, 11 gekippt) wird das konische Rohr 23 in vier (in etwa gleich lange) Teile/Segmente 4, 8, 4, 8 getrennt, wo¬ durch sich an den vier Segmenten 4, 8, 4, 8 „ihre" 15° Geh- rungsschnittflächen (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16)
(als Austrittsöffnung 6, 10 des bzw. als Eintrittsöffnung 5, 9 des jeweiligen Segments 4, 8, 4, 8 bildende Flächen) erge¬ ben . Ein jeweils abgeschnittenes Teil/Segment 4, 8, 4 ,8 wird zum jeweils anderen abgeschnittenen Teil/Segment 4, 8, 4, 8 um 180° um ihre jeweilige Mittellinie 7, 11 gedreht/rotiert, um 30° ge-/verkippt 12 (Einzelströmungsumlenkung 22) und dann an der Mittellinie 7, 11 versetzt am Gehrungsschnitt, d.h. über die Kantendeckung an beiden Gehrungsschnittflächen (6/15,
9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16) an den jeweils zu verbindenden Segmenten 4, 8, 4, 8, wieder angeschweißt.
Hierdurch ergibt sich eine 90° Verkippung (bezüglich der vier Segmentmittellinien/-längsachsen) bei den vier Segmenten 4, 8, 4, 8, wodurch die 90° Strömungsumlenkung 37 realisiert wird .
Durch die konische Ausführung/Form der Segmente 4, 8, 4, 8 sind die Verbindungen unsymmetrisch und die Kreuzungspunkte
30 der jeweiligen zwei Mittellinien 7, 11 der jeweiligen zwei Segmente 4, 8, 4, 8 liegen, wie FIG 2 zeigt, außerhalb der Gehrungsschnitte/-schnittflächen bzw. Verbindungsflächen/Knickflächen (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16) .
Dieser jeweilige Versatz des Kreuzungspunktes 30 ermöglicht es, die Segmente 4, 8, 4, 8 an ihren Gehrungsschnitten/- flächen (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16) jeweils ohne Kantenversatz strömungsgünstig anzuschweißen.
Durch diese Ausführung werden 90° Strömungsumlenkung 37 und Reduzierung des Strömungsquerschnitts (von der anfänglichen Rohrleitungsnennweite 24, hier 1200 mm, auf die Segmentkrümmeraustrittsweite 35, hier 1113 mm) strömungsgüns¬ tig in ein Bauteil, welches darüber hinaus kompakt und platz¬ sparend baut, integriert. Des Weiteren realisiert der Segmentkrümmer 1 mit seinen querschnittsreduzierenden vier Segmenten 4, 8, 4, 8 an deren jeweiligen Nahtstellen kleine bzw. verkleinerte Strömungs¬ querschnitte (im Vergleich zu nicht querschnittsreduzierenden Segmentkrümmern) , was den Materialaufwand - da dünnere Wand- stärken bei dem konischen Rohr 23 möglich sind - bei dem Segmentkrümmer 1 verringert und dadurch auch dessen Kosten und Verarbeitungsaufwand reduziert.
Zur Verbesserung der Strömungsführung und um Sekundärstörungen durch Wirbel im Bereich der Umlenkung zu minimieren, werden, wie FIG 2 verdeutlicht, gerade strömungsleitende Bleche 18 in den mittleren zwei Segmenten 8, 4 (Segment zwei 8 und Segment drei 4) zwischen den Gehrungsschnitten (6/15, 9/16, 10/15, 5/16, 6/15, 9/16) eingesetzt.
Dazu werden - über den Umfang 17 des zweiten und dritten Segments 8, 4 gleichmäßig verteilte gerade - Schlitze 31 einge¬ bracht, in welche die Bleche 17 ins Innere des Segmentkrüm¬ mers 1 eingeschoben - und durch Außenverschweißung an dem Segmentkrümmer fixiert werden.
Über die Eintrittsöffnung 5 am ersten konischen Segment 4 strömt (in Strömungsrichtung 32) das Prozessgas 2 (über dortigem Rohrleitungsnennweitenquerschnitt 24 von ca. 1200 mm) in den Segmentkrümmer 1 ein, wird dort - geführt durch die
Bleche 17 - gleichmäßig, ohne Verwirbelungen um 90° über die vier Segmente 4, 8, 4, 8 umgelenkt und strömt über die Aus¬ trittsöffnung 10 (über dortigem Austrittsweitenquerschnitt 35 von ca. 1113 mm) am vierten konischen Segment 8 aus dem Seg- mentkrümmer 1 (in Strömungsrichtung 32) aus.
Nach Austritt aus dem Segmentkrümmer 1 durchströmt (in Strö¬ mungsrichtung 32 und mit Strömungssegmentlängs-/-mittelachse 20 in Verlängerung der (vierte) Segmentlängs-/-mittelachse) das Prozessgas 2 ein konisches, einen Konuswinkel von ca. 7° aufweisendes, 179 mm kurzes, unmittelbar (in Strömungs¬ richtung 32) nach dem Segmentkrümmer 1 angeordnetes Reduzie- rungsstück 19, welches den Strömungsquerschnitt bei der Pro¬ zessgasströmung (von den Austrittsweitenquerschnitt 35 am Segmentkrümmer 1 von ca. 1113 mm) auf den
Verdichtersaugnennweitenquerschnitt 25 von ca. 1069 mm redu¬ ziert .
Dieses Reduzierungsstück 19 ist dann an einen Saugstutzen 34 an der Saugseite 27 der zweiten Verdichterstufe 28 ange¬ flanscht . Durch diese in FIG 2 gezeigte, kostengünstige, geringen Mate¬ rialaufwand und Schweißaufwand benötigende, strömungsgünstige Strömungsumlenkung mit gleichzeitiger Reduzierung des Strömungsquerschnitts können Saugleitungen von Getriebeverdichtern kompakter und kostengünstiger sowie strömungsgünstiger gestaltet werden. Hierdurch ist es möglich, den Gesamtauf- stellungsraum von Getriebeverdichtern bzw. Anlagen zu verringern und dadurch weitere Kosten zu sparen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bzw. die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) für eine Strömungsmaschine (3) , insbesondere für einen mehrstufi¬ gen Verdichter (3) , mit zumindest
- einem ersten rohrförmigen Strömungsumlenkungssegment (4) mit einer ersten Strömungseintritts- (5) und einer ers¬ ten Strömungsaustrittsöffnung (6) sowie einer ersten Segmentlängsachse (7),
- und einem zweiten Strömungsumlenkungssegment (8) mit ei¬ ner zweiten Strömungseintritts- (9) und einer zweiten Strömungsaustrittsöffnung (10) sowie einer zweiten Segmentlängsachse (11),
- wobei die erste Strömungsaustrittsöffnung (6) des ersten Strömungsumlenkungssegments (4) derart mit der zweiten Strömungseintrittsöffnung (9) des zweiten Strömungsumlenkungssegments (8) verbunden ist, dass die zweite Seg¬ mentlängsachse (11) um einen vorgebbaren Neigungswinkel (12) gegenüber der ersten Segmentlängsachse (7) geneigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das erste und/oder das zweite Strömungsumlenkungssegment (4, 8) entlang ihrer jeweiligen Segmentlängsachse (7, 11) eine erste bzw. zweite Innenquerschnittsveränderung (13, 14) aufweisen/-t .
2. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach Anspruch 1,
bei der die Innenquerschnittsveränderung (13, 14) eine
Innenquerschnittsreduzierung (13, 14) ist.
3. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
bei der das erste und/oder das zweite Strömungsumlenkungsseg¬ ment (4, 8) ein bzw. jeweils ein konisches Rohrsegment (4, 8) ist .
4. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens dem voranstehenden Anspruch,
bei dem ein Konuswinkel (13, 14) des konischen Rohrsegments (4, 8) im Bereich von ungefähr 5° bis 25°, insbesondere in einem Bereich von ungefähr 7,5° bis 20°, liegt.
5. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
mit genau dem ersten und dem zweiten Strömungsumlenkungsseg- ment (4, 8), wobei der vorgebbare Neigungswinkel (12) unge¬ fähr 90° ist.
6. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
bei der das erste Strömungsumlenkungssegment (4) an seiner ersten Strömungseintritts- (5) und/oder an seiner ersten Strömungsaustrittsöffnung (6) einen 45° Gehrungsschnitt (15) aufweist und/oder bei der das zweite Strömungsumlenkungsseg¬ ment (8) an seiner zweiten Strömungseintritts- (9) und/oder an seiner zweiten Strömungsaustrittsöffnung (10) einen 45° Gehrungsschnitt aufweist (16).
7. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens den beiden voranstehenden Ansprüchen,
bei der das erste Strömungsumlenkungssegment (4) an seiner ersten Strömungsaustrittsöffnung (6) einen 45° Gehrungsschnitt (15) aufweist und das zweite Strömungsumlenkungsseg¬ ment (8) an seiner zweiten Strömungseintrittsöffnung (9) einen 45° Gehrungsschnitt (16) aufweist.
8. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
mit mehreren von den ersten und/oder zweiten Strömungsumlen- kungssegmenten (4, 8).
9. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
bei der an einem ersten Innenumfang (17) des ersten Strö- mungsumlenkungssegments (4) und/oder an einem zweiten Innen- umfang (17) des zweiten Strömungsumlenkungssegments (8) und/oder an einem Innenumfang (17) in einem Bereich an der Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsum- lenkungssegment (4, 8) Strömungsleitelemente (18), insbeson¬ dere gerade strömungsleitende Bleche (18) und/oder gebogene Umlenkschaufeln (18), angeordnet sind.
10. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
bei der an der zweiten Strömungsaustrittsöffnung (10) ein weiteres rohrförmiges Strömungssegment (19), insbesondere ge¬ rades Rohrsegment (19) oder ein Reduziersegment (19), derart angeordnet ist, dass deren Strömungssegmentlängsachse (20) parallel zur zweiten Segmentlängsachse (11) ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche,
angeordnet in einer Saugleitung (21) einer Verdichterstufe (29) eines mehrstufigen Verdichters (3), insbesondere eines Getriebeverdichters (3) .
12. Mehrstufiger Verdichter (3), insbesondere Getriebeverdichter (3), mit zumindest einer Vorrichtung (1) zur Umlenkung einer Fluidströmung (2) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche.
13. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Um- lenkung einer Fluidströmung (2) für eine Strömungsmaschine (3) , insbesondere für einen mehrstufigen Verdichter (3) , nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem
- ein konisches Rohr (23) durch einen Gehrungsschnitt (15, 16) in zwei Rohrsegmente (4, 8) zerteilt wird, wodurch das erste und das zweite Strömungsumlenkungssegment (4, 8) gebildet wird, und
- die zwei Rohrsegmente (4, 8) an ihren Gehrungsschnitten (15, 16) miteinander verbunden werden, wodurch die Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsumlenkungssegment (4, 8) hergestellt wird.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Um- lenkung einer Fluidströmung (2) für eine Strömungsmaschine (3) nach Anspruch 13, bei dem das erste Strömungsumlenkungs¬ segment (4) mit dem zweiten Strömungsumlenkungssegment (8) unter Verwendung eines thermischen Fügeverfahrens miteinander verbunden wird, insbesondere verschweißt wird.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Um- lenkung einer Fluidströmung (2) für eine Strömungsmaschine (3) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, bei dem das konische Rohr (23) auf 45° Gehrung zerteilt wird.
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