EP3167195A1 - Return stage of a multi-stage turbocompressor or turboexpander having rough wall surfaces - Google Patents

Return stage of a multi-stage turbocompressor or turboexpander having rough wall surfaces

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EP3167195A1
EP3167195A1 EP15774561.3A EP15774561A EP3167195A1 EP 3167195 A1 EP3167195 A1 EP 3167195A1 EP 15774561 A EP15774561 A EP 15774561A EP 3167195 A1 EP3167195 A1 EP 3167195A1
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EP
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section
flow
rough
feedback stage
stage
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Siemens AG
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Publication date
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    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
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    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
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    • F05D2300/50—Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/516—Surface roughness

Definitions

  • Return stage not only the function of deflecting the process fluid from the flow direction radially outward in an axial flow direction and the other impeller, but also at least partially retard the flow of the process fluid and thus increase the pressure according to Bernulli.
  • the return step is hereby simultaneously formed regularly as a diffuser in a radially outward dishes ⁇ th flow path and as a constrictor in a radially inward flow path at the inlet of the process fluid to the other impeller.
  • Return step is unmoved relative to the impellers and re ⁇ regularly change in the feedback stage provided Leit ⁇ shovel the swirl and thus the flow direction of the process zessfluids in preparation for the subsequent entry into the subsequent compaction.
  • This sophisticated aerodyna ⁇ mix objective of the return step requires careful fluid dynamic design to minimize pressure losses and efficiency optimization. Nevertheless, due to the flow of radial diffusers and confusers of the recirculation stage at the surfaces wetted by the flow, friction-induced and basically unavoidable pressure losses occur which reduce the efficiency of the turbomachine.
  • the local frictional pressure losses are dependent on the local flow velocity and the Loka ⁇ len roughness or roughness of the surface Strömungsbenetzen.
  • large pressure losses occur where the lo- flow velocities and at the same time the local roughness of the overflowed surfaces are large.
  • the invention has made it starting from the prior art described, the object of the surface of the flow-guiding areas of the return step so as to ge ⁇ Stalten that compared to the known solutions, a reduced or optionally consistent manufacturing expense while improving efficiency of the Turboverdich ⁇ ters.
  • return step is an annularly extending around the rotation axis component.
  • This component can be divided in the circumferential direction or formed undivided.
  • a divided in the circumferential direction training is provided so that a parting line of the return stage or the return stages is formed, which ensures a separation of the rotor without disassembly of the rotor in a divided feedback stage made possible.
  • the return stage is generally formed axially divided, wherein a blade bottom separates the radially outwardly guided branch of the flow channel of a radially inwardly guided branch downstream of the 180 ° deflection of the flow and the ⁇ this blade bottom is attached to an intermediate floor of the return stage, wherein the intermediate floor on the one hand the flow-guide used in the feedback stage and the other part of the attachment of the return step to the other components of the turbo compressor, for example, to an inner housing or on an internally bundle of the turbocompressor together ⁇ comprehensive support.
  • a first portion extends radially and has a ra ⁇ Diale opening to an upstream impeller at a first end of the first section on.
  • a fourth portion adjacent radially radially with a first end of the fourth section at a second end of the - upstream in Fal ⁇ le of the turbocompressor - third portion at.
  • the fourth section directs the flow to ⁇ et wa 90 ° in axial direction and with a second end of the fourth section it has an axial opening to the two ⁇ th downstream impeller on.
  • the rough areas are preferably provided at different positions, which are specified in detail below.
  • a first rough region in the first section is disposed on the axial boundary surface which is axially further from the third section than the other axial boundary surface.
  • a third rough region is directly adjacent to the second rough region in the third section and extending between 5% to 40% along the flow channel .
  • a fourth rough region is located in the fourth section on the radially outer boundary surface.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the rough areas each extend over the entire circumference of the flow channel.
  • the radial turbo fluid energy machine is a turbo compressor flows through a process fluid sections in the Rei ⁇ hen graphic fourth section, the third section, the second from ⁇ section, the first section.
  • the first portion of the flow channel may include vanes to direct the flow to the downstream conditions.
  • the rough regions have an average roughness 20ym ⁇ Rz, particularly preferably 30ym ⁇ Rz.
  • the non-rough areas a medium rough ⁇ ness 20ym> Rz, more preferably to 10ym> ref.
  • the local surface roughness is to be adapted to the local Strömungsge ⁇ speed vice versa according to the invention.
  • the region-specific surface roughness according to the invention provides that the loading ⁇ rich high flow velocities, the strömungsbenetze surface with a smaller roughness is executed as in the Be ⁇ rich smaller flow rates.
  • a preferred application of the invention provides that the return stage has a bladed radial diffuser or, in the case of the radial turbine, a bladed radial confuser.
  • the return stage has a blade-less radial diffuser or, in the case of the radial turbine, a blade-less radial confuser.
  • the speed level in the radial diffuser ⁇ relationship, in the radial constrictor is the annular space inside diameter - that the impeller outer diameter - the highest and decreases with increasing radius - so outwardly - from.
  • the wetted surfaces to be machined surface of the annular space walls with the radius becomes larger.
  • Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal section through a turbocompressor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a return stage RS from a first impeller IMP1 to a second impeller IMP2 of a turbocompressor TCO.
  • the two impellers IMP1, IMP2 are components of a Ro ⁇ R tors, wherein the impeller IMP1, are non-positively mounted on egg ⁇ ner extending along an axis X shaft SH IMP2.
  • the rotor R is surrounded by flow-carrying stationary components, of which a feedback stage RS is shown here.
  • a multi-stage turbomachine includes in the
  • the return stage comprises a blade bottom SB and an intermediate bottom ZB, which are firmly connected to one another by means of guide vanes V forming a flow channel between them.
  • the return stages RS are designed to be divided in the circumferential direction, so that a division of the return stage in a parting line makes it possible to remove the rotor from the structure of the return stages.
  • the rotor is radially inserted during assembly or removed radially during disassembly.
  • the return stages RS have to the rotor R at different points shaft seals SHS, which should prevent the unused degradation of pressure differences or Beipassströmungen in operation.
  • the first section S1 extends essentially radially and has a radial opening to the first impeller IMP1 at a first end S1E1 of the first section S1.
  • the second section S2 adjoins a first end S2E1 of the second section S2 at a second end S1E2 of the first section Sl and directs the flow through the channel CH by about 180 ° from one radial direction to the opposite
  • the flow is deflected from radially outward in a direction radially inward.
  • the third section S3 closes S3 adjacent to the second end of the second section S2 S2E2 with a first En ⁇ de S3E1 of the third section.
  • This section ver ⁇ runs substantially radially and leads in case of Turbover- dichters TCO the flow from radially outside to radially inside.
  • the fourth portion radially adjoins a first end S4E1 of the fourth portion S4 radially at a second end S3E2 of the third portion S3 and diverts the flow by about 90 ° in the direction of the second impeller IMP2.
  • a second end S4E2 of the fourth section S4 adjoins the second impeller IMP2.
  • a first rough region RZ1 is located in the first section S1 on that axial boundary surface which is axially further away from the third section S3 than the other axial boundary surface.
  • a second rough area RZ2 is located on the radially inner boundary surface of the second section S2 be ⁇ ginnend at the second end of the second section S2 S2E2.
  • This second rough region RZ2 extends between 30% -70% of the extent along the flow channel of the second section S2.
  • a third rough area RZ3 is adjacent to the second rough area RZ2 to S3 in the third section and extends between 5% -40% CH S3 along the flow channel in drit ⁇ th section.
  • a fourth rough region RZ4 extends in the fourth section S4 on the radially outer boundary surface.
  • the harsh preparation ⁇ che RZ1-RZ 3 are extra roughened designed by the boundary surfaces of the flow channel SFA CH or the other Regions of the boundary surface SFA against the rough areas RZ1-RZ4 are provided with a lower surface roughness, for example by means of polishing.
  • both a roughening of the rough areas RZ1-RZ4 and a polishing of the other boundary surfaces SFA is provided in order to achieve the erfindungsze the effect.

Abstract

The invention relates to a return stage (RS) of a radial turbo fluid energy machine, in particular of a radial turbo compressor (TCO), having an axis of rotation (X), the return stage (RS) comprising an annular flow channel (CH) for feeding a flowing process fluid (PF) from a flow opening of a first impeller (IMP1) to a flow opening of a second impeller (IMP2) arranged downstream. In order to increase efficiency, the flow channel (CH) according to the invention is defined by bounding surface areas (SFA), of which at least one certain rough area extending in the circumferential direction has a surface roughness (RZ) that is increased in relation to the other areas.

Description

RÜCKFÜHRSTUFE EINES MEHRSTUFIGEN TURBOVERDICHTERS ODER  RETURN LEVEL OF A MULTI-STAGE TURBO REFRIGERATOR OR
TURBOEXPANDERS MIT RAUEN WANDOBERFLÄCHEN  TURBOEXPANDERS WITH ROUGH WALL SURFACES
Bei Radialturbofluidenergiemaschinen, insbesondere bei radialen Turboverdichtern wird Prozessfluid von einem Impeller oder Laufrad axial angesaugt und radial beschleunigt ausgege¬ ben. Bei einer mehrstufigen Bauweise übernimmt eine sogenannte Rückführstufe die Zuführung des stromaufwärts von dem Impeller ausgegebenen Prozessfluids zu einem weiter stromabwärts gelegenen weiteren Laufrad. Hierbei hat diese In radial turbo fluid energy machine, in particular in radial centrifugal compressors Process fluid is drawn in axially by an impeller or impeller and radially accelerated ausgege ¬ ben. In a multi-stage design, a so-called return stage takes over the supply of the process fluid discharged upstream from the impeller to a further downstream impeller. This has this
Rückführstufe nicht nur die Funktion, das Prozessfluid aus der Strömungsrichtung nach radial außen umzulenken in eine axiale Strömungsrichtung und dem weiteren Laufrad zuzuführen, sondern auch zumindest abschnittsweise die Strömung des Pro- zessfluids zu verzögern und auf diese Weise nach Bernulli den Druck zu erhöhen. Die Rückführstufe wird hierbei gleichzeitig regelmäßig als Diffusor in einem nach radial außen gerichte¬ ten Strömungspfad und auch als Konfusor in einem radial nach innen gerichteten Strömungspfad bei der Zuleitung des Prozessfluids zu dem weiteren Laufrad ausgebildet. Die Return stage not only the function of deflecting the process fluid from the flow direction radially outward in an axial flow direction and the other impeller, but also at least partially retard the flow of the process fluid and thus increase the pressure according to Bernulli. The return step is hereby simultaneously formed regularly as a diffuser in a radially outward dishes ¬ th flow path and as a constrictor in a radially inward flow path at the inlet of the process fluid to the other impeller. The
Rückführstufe ist relativ zu den Laufrädern unbewegt und re¬ gelmäßig verändern in der Rückführstufe vorgesehene Leit¬ schaufeln den Drall und damit die Strömungsrichtung des Pro- zessfluids zur Vorbereitung auf den nachfolgenden Eintritt in die nachfolgende Verdichtung. Diese anspruchsvolle aerodyna¬ mische Aufgabe der Rückführstufe erfordert eine sorgfältige strömungstechnische Gestaltung zur Minimierung von Druckverlusten und zur Wirkungsgradoptimierung. Dennoch entstehen bei der Durchströmung von radialen Diffusoren und Konfusoren der Rückführstufe an den strömungsbenetzten Oberflächen reibungsbedingte und dem Grunde nach unvermeidbare Druckverluste, die den Wirkungsgrad der Turbomaschine reduzieren. Bei gegebenen Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasart, Druck und Temperatur, sind die lokalen reibungsbedingten Druckverluste abhängig von der lokalen Strömungsgeschwindigkeit sowie der loka¬ len Rauheit oder Rauigkeit der Strömungsbenetzen Oberfläche. In der Regel treten große Druckverluste dort auf, wo die lo- kalen Strömungsgeschwindigkeiten und gleichzeitig die lokalen Rauheiten der überströmten Oberflächen groß sind. Return step is unmoved relative to the impellers and re ¬ regularly change in the feedback stage provided Leit ¬ shovel the swirl and thus the flow direction of the process zessfluids in preparation for the subsequent entry into the subsequent compaction. This sophisticated aerodyna ¬ mix objective of the return step requires careful fluid dynamic design to minimize pressure losses and efficiency optimization. Nevertheless, due to the flow of radial diffusers and confusers of the recirculation stage at the surfaces wetted by the flow, friction-induced and basically unavoidable pressure losses occur which reduce the efficiency of the turbomachine. At given operating conditions with regard to type of gas, pressure and temperature, the local frictional pressure losses are dependent on the local flow velocity and the Loka ¬ len roughness or roughness of the surface Strömungsbenetzen. As a rule, large pressure losses occur where the lo- flow velocities and at the same time the local roughness of the overflowed surfaces are large.
Aus der EP 1 433 960 Bl ist es bereits bekannt, die strö- mungsführenden Bauteile mittels einer Polierbearbeitung soweit zu glätten, dass der Gesamtwirkungsgrad des Verdichters sich erhöht. Üblicherweise wird für die strömungsbenetzten Oberflächen im radialen Diffusor oder Konfusor eine einheitliche maximale Rauheit (z. B. RZ12) gefordert, insbesondere dann, wenn diese Oberflächen aus einem Bauteil beziehungswei¬ se in einem Fertigungsgang hergestellt werden. Dieses auch in der EP 1 433 960 Bl vorgeschlagenen Vorgehen beschert zusätzlichen Arbeitsaufwand und führt zu erheblichen Mehrkosten. Die Erfindung hat es sich ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik zur Aufgabe gemacht, die Oberfläche der strömungsführenden Bereiche der Rückführstufe derart zu ge¬ stalten, dass gegenüber den bekannten Lösungen ein reduzierter oder gegebenenfalls gleichbleibender Herstellungsaufwand bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad des Turboverdich¬ ters . From EP 1 433 960 B1 it is already known to smooth the flow-guiding components by means of a polishing treatment so far that the overall efficiency of the compressor increases. Usually, a uniform maximum roughness (z. B. RZ12) is required for the strömungsbenetzten surfaces in the radial diffuser or confusor, particularly when these surfaces are made of a component beziehungswei ¬ se in one manufacturing process. This procedure, which is also proposed in EP 1 433 960 B1, brings additional work and leads to considerable additional costs. The invention has made it starting from the prior art described, the object of the surface of the flow-guiding areas of the return step so as to ge ¬ Stalten that compared to the known solutions, a reduced or optionally consistent manufacturing expense while improving efficiency of the Turboverdich ¬ ters.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine To achieve the object of the invention is a
Rückführstufe der eingangs definierten Art mit den zusätzli- chen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhal¬ ten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Return stage of the type defined above with the additional features of the characterizing part of claim 1 proposed. The respective sub-claims referred beinhal ¬ th advantageous developments of the invention.
Begriffe, wie axial, tangential, radial oder Umfangsrichtung beziehen sich stets - wenn nicht anders angegeben - auf eine Rotationsachse des radialen Turboverdichters. Bei der erfin¬ dungsgemäßen Rückführstufe handelt es sich um ein sich ringförmig um die Rotationsachse erstreckendes Bauteil. Dieses Bauteil kann in Umfangsrichtung geteilt oder ungeteilt ausge- bildet sein. Bevorzugt ist eine in Umfangsrichtung geteilte Ausbildung vorgesehen, damit eine Teilfuge der Rückführstufe oder der Rückführstufen entsteht, die ein Trennen des Rotors ohne ein Zerlegen des Rotors bei geteilter Rückführstufe er- möglicht. Grundsätzlich ist auch eine in Umgangsrichtung ungeteilte Ausbildung der Rückführstufe denkbar, insbesondere bei einem axial zerlegbaren Rotor. Im Zusammenhang dieser Erfindung bedeutet Rauheit stets - wenn nicht anders angegeben - die Mittlere Rautiefe Rz in Terms such as axial, tangential, radial or circumferential direction always refer - unless otherwise stated - to an axis of rotation of the radial turbocompressor. In the OF INVENTION ¬ to the invention return step is an annularly extending around the rotation axis component. This component can be divided in the circumferential direction or formed undivided. Preferably, a divided in the circumferential direction training is provided so that a parting line of the return stage or the return stages is formed, which ensures a separation of the rotor without disassembly of the rotor in a divided feedback stage made possible. In principle, an embodiment of the feedback stage which is undivided in the direction of contact is also conceivable, in particular in the case of an axially separable rotor. In the context of this invention, roughness always means - unless otherwise stated - the mean roughness depth Rz in
[ym] nach DIN EN ISO 4287:1998. [ym] according to DIN EN ISO 4287: 1998.
Die Rückführstufe ist in der Regel axial geteilt ausgebildet, wobei ein Schaufelboden den radial nach außen geführten Ast des Strömungskanals von einem radial nach innen geführten Ast stromabwärts der 180 ° -Umlenkung der Strömung trennt und die¬ ser Schaufelboden an einen Zwischenboden der Rückführstufe angebracht ist, wobei der Zwischenboden einerseits der Strö- mungsführung in der Rückführstufe dient und andererseits der Befestigung der Rückführstufe an den sonstigen Bauelementen des Turboverdichters, beispielsweise an einem Innengehäuse oder an einem ein Innenbündel des Turboverdichters zusammen¬ fassenden Träger. The return stage is generally formed axially divided, wherein a blade bottom separates the radially outwardly guided branch of the flow channel of a radially inwardly guided branch downstream of the 180 ° deflection of the flow and the ¬ this blade bottom is attached to an intermediate floor of the return stage, wherein the intermediate floor on the one hand the flow-guide used in the feedback stage and the other part of the attachment of the return step to the other components of the turbo compressor, for example, to an inner housing or on an internally bundle of the turbocompressor together ¬ comprehensive support.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Strömungskanal der Rückführstufe gedanklich in die folgenden Abschnitte aufgliedern lässt. Ein erster Abschnitt erstreckt sich radial und weist eine ra¬ diale Öffnung zu einem stromaufwärts angeordneten Impeller an einem ersten Ende des ersten Abschnitts auf. An advantageous development of the invention provides that the flow channel of the feedback stage can mentally be divided into the following sections. A first portion extends radially and has a ra ¬ Diale opening to an upstream impeller at a first end of the first section on.
Ein zweiter Abschnitt grenzt mit einem ersten Ende des zwei- ten Abschnitts an dem zweiten Ende des - im Falle des Turbo¬ verdichters stromaufwärts angeordneten - ersten Abschnitts an und die Strömung wird um etwa 180° von einer Radialrichtung in die entgegengesetzte Radialrichtung umgelenkt. Ein dritter Abschnitt, der im Wesentlichen radial verläuft, grenzt mit einem ersten Ende an einem - im Falle des Turbo¬ verdichters stromaufwärts angeordneten - zweiten Ende des zweiten Abschnitts an. Ein vierter Abschnitt grenzt radial mit einem ersten Ende des vierten Abschnitts radial an einem zweiten Ende des - im Fal¬ le des Turboverdichters stromaufwärts angeordneten - dritten Abschnitts an. Der vierte Abschnitt lenkt die Strömung um et¬ wa 90° in axiale Richtung um und mit einem zweiten Ende des vierten Abschnitts weist er eine axiale Öffnung zu dem zwei¬ ten stromabwärts angeordneten Impeller auf. In diesen Abschnitten sind bevorzugt nach der Erfindung die rauen Bereiche an verschiedenen Positionen, im Folgenden im Einzelnen angegeben, vorgesehen. A second portion adjacent to a first end of the second portion at the second end of the - at the first section and the flow is deflected by approximately 180 ° from a radial direction in the opposite radial direction - in the case of Turbo ¬ compressor upstream. A third portion which extends substantially radially adjacent to a first end of a - at the second end of the second portion - in the case of the turbo compressor ¬ upstream. A fourth portion adjacent radially radially with a first end of the fourth section at a second end of the - upstream in Fal ¬ le of the turbocompressor - third portion at. The fourth section directs the flow to ¬ et wa 90 ° in axial direction and with a second end of the fourth section it has an axial opening to the two ¬ th downstream impeller on. In these sections, according to the invention, the rough areas are preferably provided at different positions, which are specified in detail below.
Bevorzugt ist ein erster rauer Bereich im ersten Abschnitt auf derjenigen axialen Begrenzungsoberfläche angeordnet ist, die axial von dem dritten Abschnitt weiter entfernt ist als die andere axiale Begrenzungsoberfläche. Preferably, a first rough region in the first section is disposed on the axial boundary surface which is axially further from the third section than the other axial boundary surface.
Bevorzugt ist ein zweiter rauer Bereich auf der radial inne- ren Begrenzungsoberfläche des zweiten Abschnitts beginnend an dem zweiten Ende des zweiten Abschnitts sich zwischen 30% bis 70% der Erstreckung entlang des Strömungskanals sich erstre¬ ckend angeordnet. Bevorzugt ist ein dritter rauer Bereich direkt an den zweiten rauen Bereich im dritten Abschnitt angrenzend und sich zwischen 5% bis 40% entlang des Strömungskanals erstreckend vor¬ gesehen . Bevorzugt befindet sich ein vierter rauer Bereich im vierten Abschnitt auf der radial äußeren Begrenzungsoberfläche. Preferably, a second rough area on the radially inne- ren limiting surface of the second portion starting at the second end of the second portion to be arranged erstre ¬ ckend between 30% to 70% of the extent along the flow channel. Preferably, a third rough region is directly adjacent to the second rough region in the third section and extending between 5% to 40% along the flow channel . Preferably, a fourth rough region is located in the fourth section on the radially outer boundary surface.
Eine bevorzugt Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die rauen Bereiche sich jeweils über den gesamten Umfang des Strömungskanals erstrecken. A preferred embodiment of the invention provides that the rough areas each extend over the entire circumference of the flow channel.
Wenn die Radialturbofluidenergiemaschine ein Turboverdichter ist, durchströmt ein Prozessfluid die Abschnitte in der Rei- henfolge erster Abschnitt, zweiter Abschnitt, dritter Ab¬ schnitt, vierter Abschnitt. When the radial turbofluid energy machine is a turbocompressor, a process fluid flows through the sections in the henfolge first section, second section, the third from ¬ section, fourth section.
Wenn die Radialturbofluidenergiemaschine ein Turboverdichter ist durchströmt ein Prozessfluid die Abschnitte in der Rei¬ henfolge vierter Abschnitt, dritter Abschnitt, zweiter Ab¬ schnitt, erster Abschnitt. If the radial turbo fluid energy machine is a turbo compressor flows through a process fluid sections in the Rei ¬ henfolge fourth section, the third section, the second from ¬ section, the first section.
Sinnvoll kann der erste Abschnitt des Strömungskanals Leit- schaufeln aufweisen, um die Strömung auf die stromabwärts gegebenen Bedingungen auszurichten. Suitably, the first portion of the flow channel may include vanes to direct the flow to the downstream conditions.
Zweckmäßig weisen die rauen Bereiche eine mittlere Rauheit 20ym < Rz, besonders bevorzugt 30ym < Rz auf. Expediently, the rough regions have an average roughness 20ym <Rz, particularly preferably 30ym <Rz.
Bevorzugt weisen die nicht rauen Bereiche eine mittlere Rau¬ heit 20ym > Rz, besonders bevorzugt 10ym > Rz auf. Preferably, the non-rough areas a medium rough ¬ ness 20ym> Rz, more preferably to 10ym> ref.
In den Fällen, wo die lokale Strömungsgeschwindigkeit nicht sinnvoll an eine gegebene lokale Oberflächen- Rauheit ange- passt werden kann, um die reibungsbedingten Druckverluste möglichst klein zu halten, soll nach der Erfindung umgekehrt die lokale Oberflächenrauigkeit an die lokale Strömungsge¬ schwindigkeit angepasst werden. Die Bereichs-spezifische Rau- heit der Oberfläche nach der Erfindung sieht vor, dass im Be¬ reich hoher Strömungsgeschwindigkeiten die strömungsbenetze Oberfläche mit kleinerer Rauheit ausgeführt wird als im Be¬ reich kleinerer Strömungsgeschwindigkeiten. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass die Rückführstufe einen beschaufelten radialen Diffusor oder im Fall der Radialturbine einen beschaufelten radialen Konfusor aufweist . Eine andere bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass die Rückführstufe einen schaufellosen radialen Diffusor oder im Fall der Radialturbine einen schaufellosen radialen Konfusor aufweist. Das Geschwindigkeitsniveau im radialen Diffusor beziehungs¬ weise im radialen Konfusor ist am Ringrauminnendurchmesser - also am Laufradaußendurchmesser - am höchsten und nimmt mit zunehmendem Radius - also nach außen hin - ab. Gleichzeitig wird die strömungsbenetze zu bearbeitende Oberfläche der Ringraumwände mit dem Radius größer. Durch das erfindungsge¬ mäß bereichsweise Anpassen der Rauheit an das lokale Strö¬ mungsgeschwindigkeitsniveau der strömungsbenetzten Oberflä- chen in radialen Diffusoren und Konfusoren werden die reibungsbedingten Druckverluste reduziert, ohne notwendigerweise die Herstellkosten der Bauteile zu erhöhen. Dies ist insbe¬ sondere deswegen erreicht, weil dem erhöhten Aufwand einer kleineren Rauheit auf kleiner Fläche im Bereich hoher Strö- mungsgeschwindigkeiten ein verringerter Aufwand mit größerer zulässiger Rauheit auf großer Fläche im Bereich kleinerer Strömungsgeschwindigkeiten gegenübersteht . In cases where the local flow velocity can not be usefully adapted to a given local surface roughness in order to keep the frictional pressure losses as small as possible, the local surface roughness is to be adapted to the local Strömungsge ¬ speed vice versa according to the invention. The region-specific surface roughness according to the invention provides that the loading ¬ rich high flow velocities, the strömungsbenetze surface with a smaller roughness is executed as in the Be ¬ rich smaller flow rates. A preferred application of the invention provides that the return stage has a bladed radial diffuser or, in the case of the radial turbine, a bladed radial confuser. Another preferred application of the invention provides that the return stage has a blade-less radial diffuser or, in the case of the radial turbine, a blade-less radial confuser. The speed level in the radial diffuser ¬ relationship, in the radial constrictor is the annular space inside diameter - that the impeller outer diameter - the highest and decreases with increasing radius - so outwardly - from. At the same time the wetted surfaces to be machined surface of the annular space walls with the radius becomes larger. By erfindungsge ¬ Mäss regionally adjusting the roughness on the local Strö ¬ flow velocity level of strömungsbenetzten sur- faces the frictional pressure losses are reduced without necessarily increasing the manufacturing cost of the components in radial diffusers and confusers. This is in particular ¬ sondere achieved because the increased cost of a smaller roughness in a small area in the region of high flow rates a reduced cost with greater allowable roughness faces on a larger area in the range of small flow velocities.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt: In the following the invention with reference to a specific exemplary embodiment with reference to a drawing is described in more detail. It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Turboverdichter gemäß der Erfindung. Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal section through a turbocompressor according to the invention.
Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Rückführstufe RS von einem ersten Impeller IMP1 zu einem zweiten Impeller IMP2 eines Turboverdichters TCO. Die beiden Impeller IMP1, IMP2 sind Bestandteile eines Ro¬ tors R, wobei die Impeller IMP1, IMP2 kraftschlüssig auf ei¬ ner sich entlang einer Achse X erstreckenden Welle SH angebracht sind. Der Rotor R ist von strömungsführenden stehenden Bauteilen umgeben, von denen hier eine Rückführstufe RS dar- gestellt ist. Eine mehrstufige Turbomaschine umfasst in derFIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a return stage RS from a first impeller IMP1 to a second impeller IMP2 of a turbocompressor TCO. The two impellers IMP1, IMP2 are components of a Ro ¬ R tors, wherein the impeller IMP1, are non-positively mounted on egg ¬ ner extending along an axis X shaft SH IMP2. The rotor R is surrounded by flow-carrying stationary components, of which a feedback stage RS is shown here. A multi-stage turbomachine includes in the
Regel mehrere Rückführstufen RS, die in Strömungsrichtung betrachtet von einem ersten Impeller IMP1, der im Falle des Turboverdichters TCO ein Prozessfluid PF axial ansaugt und radial ausgibt, das Prozessfluid PF im Anschluss an eine ra¬ diale Diffusorstrecke um 180° umlenkt und zurück nach radial innen führt und anschließend in axiale Richtung umlenkt, um das Prozessfluid PF dem zweiten stromabwärts gelegenen Usually a plurality of return stages RS, viewed in the flow direction of a first impeller IMP1, which sucks a process fluid PF axially in the case of the turbo-compressor TCO and radially outputs, the process fluid PF after a ra ¬ diale Diffusorstrecke deflects by 180 ° and leads back radially inward and then deflects in the axial direction to the process fluid PF the second downstream
Impeller IMP2 zuzuführen. To feed IMP2 impeller.
Die Rückführstufe umfasst in der Regel einen Schaufelboden SB und einem Zwischenboden ZB, die mittels Leitschaufeln V einen Strömungskanal zwischen sich ausbildend fest miteinander ver- bunden sind. In der Regel sind die Rückführstufen RS in Um- fangsrichtung geteilt ausgebildet, so dass eine Teilung der Rückführstufe in einer Teilfuge die Entnahme des Rotors aus der Struktur der Rückführstufen ermöglicht. Der Rotor wird bei der Montage radial eingelegt beziehungsweise bei der De- montage radial enthoben. As a rule, the return stage comprises a blade bottom SB and an intermediate bottom ZB, which are firmly connected to one another by means of guide vanes V forming a flow channel between them. As a rule, the return stages RS are designed to be divided in the circumferential direction, so that a division of the return stage in a parting line makes it possible to remove the rotor from the structure of the return stages. The rotor is radially inserted during assembly or removed radially during disassembly.
Die Rückführstufen RS weisen zu dem Rotor R an verschiedenen Stellen Wellendichtungen SHS auf, die den ungenutzten Abbau von Druckdifferenzen beziehungsweise Beipassströmungen im Be- trieb verhindern sollen. The return stages RS have to the rotor R at different points shaft seals SHS, which should prevent the unused degradation of pressure differences or Beipassströmungen in operation.
Der von dem ersten Impeller IMP1 zu dem zweiten Impeller IMP2 sich erstreckende Strömungskanal CH ist zum Zwecke der Defi¬ nition der Erfindung gedanklich in vier aufeinanderfolgende, im Falle des Turboverdichters TCO in Strömungsrichtung hin¬ tereinander angeordnete, Abschnitte Sl, S2, S3, S4 unterglie¬ dert. Im Falle des Turboexpanders ist die Nummerierung dieser Abschnitte S1-S4 entgegen der Strömungsrichtung. Der erste Abschnitt Sl erstreckt sich im Wesentlichen radial und weist eine radiale Öffnung zu dem ersten Impeller IMP1 an einem ersten Ende S1E1 des ersten Abschnittes Sl auf. Der zweite Abschnitt S2 grenzt mit einem ersten Ende S2E1 des zweiten Abschnitts S2 an einem zweiten Ende S1E2 des ersten Abschnitts Sl an und lenkt die Strömung durch den Kanal CH um etwa 180° von einer Radialrichtung in die entgegengesetzteFrom the first impeller IMP1 to the second impeller IMP2 extending flow channel CH is for the purpose of defibrillation ¬ definition of the invention conceptually in four consecutive, towards ¬ behind the other are arranged in the case of the turbocompressor TCO in the direction of flow sections Sl, S2, S3, S4 under glie ¬ changed. In the case of the turboexpander, the numbering of these sections S1-S4 is opposite to the flow direction. The first section S1 extends essentially radially and has a radial opening to the first impeller IMP1 at a first end S1E1 of the first section S1. The second section S2 adjoins a first end S2E1 of the second section S2 at a second end S1E2 of the first section Sl and directs the flow through the channel CH by about 180 ° from one radial direction to the opposite
Radialrichtung um. Im Falle des Turboverdichters TCO wird die Strömung von radial nach außen gerichtet umgelenkt in eine Richtung nach radial innen. An dem zweiten Abschnitt S2 schließt sich der dritte Abschnitt S3 mit einem ersten En¬ de S3E1 des dritten Abschnitts S3 angrenzend an dem zweiten Ende S2E2 des zweiten Abschnitts S2 an. Dieser Abschnitt ver¬ läuft im Wesentlichen radial und führt im Falle des Turbover- dichters TCO die Strömung von radial weiter außen nach radial weiter innen. Der vierte Abschnitt grenzt radial mit einem ersten Ende S4E1 des vierten Abschnitts S4 radial an einem zweiten Ende S3E2 des dritten Abschnitts S3 an und lenkt die Strömung um etwa 90° in Richtung des zweiten Impellers IMP2 um. Ein zweites Ende S4E2 des vierten Abschnitts S4 grenzt an den zweiten Impeller IMP2 an. Radial direction around. In the case of the turbocompressor TCO, the flow is deflected from radially outward in a direction radially inward. At the second section S2 the third section S3 closes S3 adjacent to the second end of the second section S2 S2E2 with a first En ¬ de S3E1 of the third section. This section ver ¬ runs substantially radially and leads in case of Turbover- dichters TCO the flow from radially outside to radially inside. The fourth portion radially adjoins a first end S4E1 of the fourth portion S4 radially at a second end S3E2 of the third portion S3 and diverts the flow by about 90 ° in the direction of the second impeller IMP2. A second end S4E2 of the fourth section S4 adjoins the second impeller IMP2.
Ein erster rauer Bereich RZ1 befindet sich im ersten Abschnitt Sl auf derjenigen axialen Begrenzungsoberfläche, die axial von dem dritten Abschnitt S3 weiter entfernt ist als die andere axiale Begrenzungsoberfläche. A first rough region RZ1 is located in the first section S1 on that axial boundary surface which is axially further away from the third section S3 than the other axial boundary surface.
Ein zweiter rauer Bereich RZ2 befindet sich auf der radial inneren Begrenzungsoberfläche des zweiten Abschnitts S2 be¬ ginnend an dem zweiten Ende S2E2 des zweiten Abschnitts S2. Dieser zweite raue Bereich RZ2 erstreckt sich zwischen 30%- 70% der Erstreckung entlang des Strömungskanals des zweiten Abschnitts S2. A second rough area RZ2 is located on the radially inner boundary surface of the second section S2 be ¬ ginnend at the second end of the second section S2 S2E2. This second rough region RZ2 extends between 30% -70% of the extent along the flow channel of the second section S2.
Ein dritter rauer Bereich RZ3 grenzt direkt an dem zweiten rauen Bereich RZ2 im dritten Abschnitt S3 an und erstreckt sich zwischen 5%-40% entlang des Strömungskanals CH im drit¬ ten Abschnitt S3. A third rough area RZ3 is adjacent to the second rough area RZ2 to S3 in the third section and extends between 5% -40% CH S3 along the flow channel in drit ¬ th section.
Ein vierter rauer Bereich RZ4 erstreckt sich im vierten Abschnitt S4 auf der radial äußeren Begrenzungsoberfläche. Grundsätzlich ist es denkbar, dass von den vier rauen Bereichen RZ1-RZ4 nicht alle oder nur ein einziger rauer Bereich zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomaschine TCO vor¬ gesehen ist. Der höchste Wirkungsgradgewinn wird durch die vollständige Implementierung der rauen Bereiche RZ1-RZ4 nach der Erfindung und gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erreicht. Grundsätzlich ist es denkbar, dass von den Begrenzungsoberflächen SFA des Strömungskanals CH die rauen Berei¬ che RZ1-RZ3 extra aufgeraut gestaltet sind oder die sonstigen Bereiche der Begrenzungsoberfläche SFA gegenüber den rauen Bereichen RZ1-RZ4 mit einer niedrigeren Oberflächenrauigkeit versehen werden, beispielsweise mittels Polierens. Daneben ist es auch denkbar, dass sowohl ein Aufrauen der rauen Bereiche RZ1-RZ4 und ein Polieren der sonstigen Begrenzungsoberflächen SFA vorgesehen wird, um den erfindungsmäßen Effekt zu erzielen. A fourth rough region RZ4 extends in the fourth section S4 on the radially outer boundary surface. In principle, it is conceivable that not all of the four rough areas RZ1-RZ4 or only a single rough area for improving the efficiency of the turbomachine TCO is seen before ¬ . The highest efficiency gain is achieved by the complete implementation of the rough regions RZ1-RZ4 according to the invention and according to the embodiment of FIG. Basically, it is conceivable that the harsh preparation ¬ che RZ1-RZ 3 are extra roughened designed by the boundary surfaces of the flow channel SFA CH or the other Regions of the boundary surface SFA against the rough areas RZ1-RZ4 are provided with a lower surface roughness, for example by means of polishing. In addition, it is also conceivable that both a roughening of the rough areas RZ1-RZ4 and a polishing of the other boundary surfaces SFA is provided in order to achieve the erfindungsmäßen effect.

Claims

Patentansprüche claims
Rückführstufe (RS) einer radialen Turbofluidenergiema- schine, insbesondere eines radialen Turboverdich¬ ters (TCO) , mit einer Rotationsachse (X) , Return step (RS) of a radial machine Turbofluidenergiema-, in particular a radial Turboverdich ¬ ters (TCO), with a rotational axis (X),
die Rückführstufe (RS) umfassend einen ringförmigen Strömungskanal (CH) zur Zuleitung eines strömenden Pro- zessfluids (PF) von einer Strömungsöffnung eines ersten Impellers (IMP1) zu einer Strömungsöffnung eines stromabwärts angeordneten zweiten Impellers (IMP2),  the return stage (RS) comprising an annular flow channel (CH) for supplying a flowing process fluid (PF) from a flow opening of a first impeller (IMP1) to a flow opening of a downstream arranged second impeller (IMP2),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Strömungskanal (CH) von Begrenzungsoberflächenbe¬ reichen (SFA) definiert ist, von denen mindestens ein bestimmter sich in Umfangsrichtung erstreckender rauer Bereich eine gegenüber den sonstigen Bereichen erhöhte Oberflächenrauigkeit (RZ) aufweist. the flow channel (CH) is defined by Begrenzungsoberflächenbe ¬ rich (SFA), of which at least a certain a with respect to the other areas of increased surface roughness in the circumferential direction extending rough region (RZ).
Rückführstufe (RS) nach Anspruch 1, wobei der Strö¬ mungskanal (CH) einen ersten Abschnitt (Sl) aufweist, der sich radial erstreckt und eine radiale Öffnung zu einem Impeller (IMP) an einem ersten Ende (S1E1) des ersten Abschnitts (Sl) aufweist. Return step (RS) according to claim 1, wherein the Strö ¬ flow duct (CH) having a first section (SI), which extends radially and a radial opening to an impeller (IMP) at a first end (S1E1) of the first section (Sl ) having.
Rückführstufe (RS) nach Anspruch 2, wobei The feedback stage (RS) of claim 2, wherein
wobei der Strömungskanal (CH) einen zweiten Ab¬ schnitt (S2) aufweist, der mit einem ersten Ende (S2E1) des zweiten Abschnitts (S2) an einem zweiten Ende (S1E2) des ersten Abschnitts (Sl) angrenzt und die Strömung um etwa 180° von einer Radialrichtung in die entgegengesetzte Radialrichtung umlenkt. wherein the flow channel (CH) having a second As ¬ section (S2) connected to a first end (S2E1) of the second section (S2) at a second end (S1E2) of the first section (Sl) is adjacent and the flow by about 180 ° deflects from a radial direction in the opposite radial direction.
Rückführstufe (RS) nach Anspruch 3, wobei der Strö¬ mungskanal (CH) einen dritten Abschnitt (S3) aufweist, der im Wesentlichen radial verläuft und mit einem ers¬ ten Ende (S3E1) des dritten Abschnitts (S3) an einem zweiten Ende (S2E2) des zweiten Abschnitts (S2) angrenzt . Return step (RS) according to claim 3, wherein the Strö ¬ flow duct (CH) has a third section (S3), which extends substantially radially and with a ers ¬ th end (S3E1) of the third section (S3) (at a second end S2E2) of the second section (S2) is adjacent.
Rückführstufe (RS) nach Anspruch 4, wobei der Strö¬ mungskanal (CH) einen vierten Abschnitt (S4) aufweist, der radial mit einem ersten Ende (S4E1) des vierten Ab Schnitts (S4) radial an einem zweiten Ende (S3E2) des dritten Abschnitts (S3) angrenzt und die Strömung um etwa 90° umlenkt und mit einem zweiten Ende (S4E2) des vierten Abschnitts (S4) eine axiale Öffnung zu dem zweiten Impeller (IMP2) aufweist. Return step (RS) according to claim 4, wherein the Strö ¬ flow duct (CH) has a fourth portion (S4), the radially having a first end (S4E1) of the fourth Ab-section (S4) radially at a second end (S3E2) of the third Section (S3) adjacent and the flow deflects by about 90 ° and having a second end (S4E2) of the fourth portion (S4) has an axial opening to the second impeller (IMP2).
Rückführstufe (RS) nach Anspruch 2, Feedback stage (RS) according to claim 2,
wobei ein erster rauer Bereich (RZ1) im ersten Abschnitt (Sl) auf derjenigen axialen Begrenzungsoberflä che angeordnet ist, die axial von dem dritten Ab¬ schnitt (S3) weiter entfernt ist als die andere axiale Begrenzungsoberfläche . wherein a first rough region (RZ1) in the first section (Sl) is arranged on that axial Begrenzungsoberflä surface axially from the third Ab ¬ section (S3) is further away than the other axial boundary surface.
Rückführstufe (RS) nach den Ansprüchen 2, 3 Feedback stage (RS) according to claims 2, 3
oder 2, 3, 6, or 2, 3, 6,
wobei ein zweiter rauer Bereich (RZ2) auf der radial inneren Begrenzungsoberfläche des zweiten Ab¬ schnitts (S2) beginnend an dem zweiten Ende (S2E2) des zweiten Abschnitts (S2) sich zwischen 30% bis 70% der Erstreckung entlang des Strömungskanals (CH) sich erstreckend befindet. wherein a second rough area (RZ2) starting from the radially inner boundary surface of the second Ab ¬ section (S2) at the second end (S2E2) of the second section (S2) extending between 30% to 70% of the extent along the flow channel (CH) is extending.
Rückführstufe (RS) nach den Ansprüchen 2, 3, 4 Feedback stage (RS) according to claims 2, 3, 4
oder 2, 3, 4, 6, or 2, 3, 4, 6,
oder 2, 3, 4, 6, 7, or 2, 3, 4, 6, 7,
wobei ein dritter rauer Bereich (RZ3) direkt an den zweiten rauen Bereich (RZ2) im dritten Abschnitt (S3) angrenzt und sich zwischen 5% bis 40% entlang des Strö mungskanals (CH) sich erstreckend befindet. a third rough region (RZ3) being directly adjacent to the second rough region (RZ2) in the third section (S3) and extending between 5% to 40% along the flow channel (CH).
Rückführstufe (RS) nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 5 oder 2, 3, 4, 5, 6, Feedback stage (RS) according to claims 2, 3, 4, 5 or 2, 3, 4, 5, 6,
oder 2, 3, 4, 5, 6, 7,  or 2, 3, 4, 5, 6, 7,
oder 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,  or 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
wobei ein vierter rauer Bereich (RZ4) sich im vierten Abschnitt (S4) auf der radial äußeren Begrenzungsober fläche befindet.  wherein a fourth rough area (RZ4) is located in the fourth section (S4) on the radially outer boundary upper surface.
Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 9, Return step (RS) according to at least one of vorherge ¬ Henden claims 1 to 9,
wobei die rauen Bereiche (RZ1 - RZ4) sich jeweils über den gesamten Umfang des Strömungskanals (CH) erstre¬ cken . wherein said rough areas (RZ1 - RZ4) each extend over the entire circumference of the flow channel (CH) erstre ¬ CKEN.
11. Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 10, 11. feedback stage (RS) according to at least one of vorherge ¬ henden claims 1 to 10,
wobei die Fluidenergiemaschine (FEM) ein Turboverdich¬ ter (TCO) ist und ein Prozessfluid (PF) die Abschnitte in der Reihenfolge erster Abschnitt (Sl), zweiter Ab- schnitt (S2), dritter Abschnitt (S3) , vierter Ab¬ schnitt (S4) durchströmt. wherein the fluid energy machine (FEM) is a turbo- compressor (TCO) and a process fluid (PF) is the sections in the sequence first section (S1), second section (S2), third section (S3), fourth section ( FIG. S4) flows through.
12. Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 10, 12. feedback stage (RS) according to at least one of vorherge ¬ henden claims 1 to 10,
wobei die Fluidenergiemaschine ein Turboexpander ist und ein Prozessfluid (PF) die Abschnitte in der Reihen¬ folge vierter Abschnitt (S4), dritter Abschnitt (S3, zweiter Abschnitt (S2), erster Abschnitt (Sl) durchströmt . wherein the fluid energy machine is a turboexpander and a process fluid (PF) flows through the sections in the sequence of fourth section (S4), third section (S3, second section (S2), first section (S1).
13. Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 12, 13. feedback stage (RS) according to at least one of vorherge ¬ henden claims 1 to 12,
wobei der erste Abschnitt (Sl) des Strömungskanals (CH) Leitschaufeln (V) aufweist. wherein the first section (Sl) of the flow channel (CH) comprises vanes (V).
14. Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 13, 14. feedback stage (RS) according to at least one of vorherge ¬ henden claims 1 to 13,
wobei die rauen Bereiche eine mittlere Rauheit 20ym < Rz aufweisen.  wherein the rough areas have an average roughness 20ym <Rz.
15. Rückführstufe (RS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 13, 15. feedback stage (RS) according to at least one of vorherge ¬ henden claims 1 to 13,
wobei die nicht rauen Bereiche eine mittlere Rauheit Rz < 20ym aufweisen.  wherein the non-rough areas have an average roughness Rz <20ym.
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