EP3364039A1 - Rückführstufe - Google Patents

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Publication number
EP3364039A1
EP3364039A1 EP17157126.8A EP17157126A EP3364039A1 EP 3364039 A1 EP3364039 A1 EP 3364039A1 EP 17157126 A EP17157126 A EP 17157126A EP 3364039 A1 EP3364039 A1 EP 3364039A1
Authority
EP
European Patent Office
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stage
rch
span
section
scl
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17157126.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Paul HARTMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP17157126.8A priority Critical patent/EP3364039A1/de
Priority to US16/485,247 priority patent/US10995761B2/en
Priority to EP18704418.5A priority patent/EP3551890B1/de
Priority to CN201880013798.XA priority patent/CN110325743B/zh
Priority to PCT/EP2018/051389 priority patent/WO2018153583A1/de
Publication of EP3364039A1 publication Critical patent/EP3364039A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • the invention relates to a recirculation stage of a radial turbomachine with at least one vane stage, the recirculation stage extending annularly around an axis, the recirculation stage being defined radially inward by an inner boundary contour and radially outward by an outer boundary contour, along a first flow direction the recirculation stage extends radially outward in a first section, wherein the return stage extends in a second portion along the first flow direction descriptive of an arcuate deflection from radially outside to radially inside, wherein the return stage along the first flow direction in a third portion from radially outside to extends radially inward, wherein the return stage extending along the first flow direction in a fourth section, an arcuate deflection descriptive from radially inside to axially, wherein the Leitschaufelstuf e comprises vanes, the vanes each comprising a vane blade extending along a span, the flow surfaces of which extend from an upstream leading edge as a pressure
  • Radial turbomachines are known as either radial turbo compressors or radial turboexpanders. The following statements relate - unless otherwise stated - to the design as a compressor.
  • the invention is basically just as applicable to expanders as it is to compressors, with a radial turbo expander essentially providing a reverse flow direction of the process fluid compared to a radial turbocompressor.
  • impellers of the compressor generally suck a process fluid axially to an axis of rotation or obliquely to the axis of rotation with an axial velocity component and accelerate and compress this process fluid by means of the respective impeller - which is also referred to as an impeller -, the flow direction of the process fluid in the deflects radial direction.
  • the impeller is followed by a return stage downstream of a multi-stage radial turbocompressor when at least one further impeller is provided downstream.
  • the invention proposes a recycling stage according to claim 1.
  • the subclaims contain advantageous developments of the invention.
  • axial, radial, tangential, circumferential direction and the like are in this case or in this document in each case based on the central axis around which the return stage extends annularly.
  • This axis is in a radial turbomachine and the axis of rotation of a rotor or the shaft with the wheels.
  • a multi-stage radial turbomachine means in the terminology of this invention that multiple impellers are rotatably mounted about the same axis of rotation.
  • an impeller equate to one stage of the radial turbomachine.
  • the multistage results in the requirement that in the case of the compressor, the process fluid flowing radially out of the impeller must be guided back in the direction of the axis of rotation and can flow into the downstream impeller of the downstream stage with an axial velocity component.
  • the flow guide which allows this return of the process fluid is called therefore "return stage".
  • the component can be designed identically and is only flowed through in the reverse direction.
  • a return stage provides that this entire component is supported and aligned by means of a so-called intermediate floor by means of suitable supports usually in a housing or other support device. Furthermore, the return stage comprises a so-called paddle bottom, which is attached to the intermediate bottom with the already explained guide vanes to form a return channel. Through the return channel, the process fluid flows to the next impeller inlet.
  • the guide vanes have two functions. On the one hand, the vanes have the aerodynamic function of imparting a counterangle to the process fluid to the extent that at least the swirl from the upstream stage is largely compensated, and on the other hand, the vanes have the mechanical task of securing the blade bottom to the false floor in such a way that despite the dynamic load secure hold is guaranteed.
  • the vane stage located in the recirculation stage includes vanes that circumferentially segment the annular shape of the recirculation stage into individual channels.
  • these guide vanes may also have interruptions (split), but according to the invention are preferably designed to be continuous along the first flow direction.
  • the Guide vanes have profiles that can be displayed in two dimensions - accordingly handled. A two-dimensional representation is possible, for example, when the annular channel of the return stage is cut along a circumferentially extending central surface. This sectional surface of a single vane can be unwound into a plane to a two-dimensional representation.
  • a profile center line of the stacked profiles of the guide vanes can be generated by means of centers of inscribed circles in the profile. This profile center line is also referred to below as a skeleton line.
  • a profile centerline run coordinate or skeleton line up coordinate along the first flow direction along an average height of the respective vane can be defined.
  • the length of the vane along this coordinate is preferably normalized to a total length of 1 or 100%.
  • the height direction of the guide blade is presently defined as the direction which is oriented perpendicular to the flow direction - in particular to the first flow direction - and perpendicular to the circumferential direction.
  • the height of the blade or elevation direction refers to this document as the span or span direction of the blade.
  • the profile centerline of the vane immediately adjacent the outer limit contour of the annular channel of the recirculation stage is referred to herein as the outer track of the vane and the profile centerline of the profile profile of the vane located immediately adjacent the inner limit contour is referred to as the inner track of the vane.
  • the outer limit contour of the return stage can also be referred to as a cover plate-side boundary contour, because an impeller provided with a cover disk has this cover disk on the side of the outer boundary contour.
  • the hub-side flow contour of the impeller is located opposite to the inner boundary contour of the feedback stage, so that the inner limit contour of the return stage can also be referred to as a hub-side boundary contour.
  • the inner limit contour may not always be considered to be radially inward than the outer limit contour for equal positions along a mean flow line through the recirculation stage, so that such alternative terms are convenient for better understanding.
  • the deflection angle in the middle of the span is in each case greater than the mean total deflection angle, in each case based on the outlet edges of the guide vanes.
  • This shaping of the guide blade on the one hand causes a favorable for the efficiency of the return stage flow of the following impeller and on the other hand, both in terms of manufacturing and assembly associated with a relatively low cost.
  • the inlet edge is preferably arranged only behind the 180 ° deflection and the outlet edge upstream of the 90 ° deflection from the radially inward flow into the axially directed flow, the guide blade is essentially in a radially extending flow channel without mandatory Axial portions of the flow.
  • the vane shape according to the invention prepares the flow behind the 180-deflection and before the diversion in the axial direction so advantageous to the inflow into the impeller that a continuation of the vane in the downstream deflection in the axial direction is not required.
  • Conventional vane forms in the recirculation stage either accept the unfavorable inhomogeneous flow distribution in the spanwise direction or are elaborately continued into the deflections of the second section and / or fourth section of the recirculation step in order to ensure a favorable flow of the following impeller.
  • the approaching edges brought close to the impeller cause an unfavorable excitation of the impeller due to the resulting inhomogeneities in the circumferential direction.
  • exit edges each describe a straight line.
  • differences in the deflection angle are preferably realized by means of different curvatures of the skeleton lines of different profiles of the span.
  • exit edges are bent or formed kinked.
  • the bending of the exit edges can be formed both in the circumferential direction and in the radial direction and, in addition, any combination of these displacements is also conceivable.
  • an advantageous development of the invention in this context provides that at the two ends of the span to each at least 7% of the span, the skeleton lines of the local profile cross sections are shorter than a mean skeleton line length.
  • Such an embodiment can be achieved if, for example, in the case of a cylindrical blade or in the case of a non-cylindrical blade, the exit edges are shortened in these two end regions of the span or the blade is cut away or cut off at this point.
  • the invention basically required lower deflection in the areas of the spans ends is achieved in a particularly cost-effective manner.
  • FIG. 1 shows a feedback stage RCH of a radial turbomachine RTM, which is designed as a radial turbocompressor CO.
  • a radial turbocompressor CO can also be implemented as radial turbocharger expander, wherein a process fluid PF flows through these components in a radial turbocompressor CO in a first flow direction FD1 and in a radial turbocharger in an opposite second flow direction FD2.
  • the descriptions in this document always refer to the first flow direction FD1 or a radial turbocompressor CO, unless stated otherwise.
  • FIG. 1 shows parts of two successively flowed through stages, a first stage ST1 and a second stage ST2 a partially illustrated radial turbomachine RTM and a radial turbocompressor CO, wherein a feedback stage RCH between the two stages ST1, ST2 is shown here completely schematically.
  • the two stages ST1, ST2 are shown here with wheels rotatably arranged about the rotation axis X, a first impeller IP1 and a second impeller IP2.
  • a process fluid PF first flows through the first impeller IP1 in an axially inflowing and radially outflowing manner along a first throughflow direction FD1.
  • an oppositely directed second flow direction FD2 is also indicated, as is the case with a radial expander.
  • the process fluid PF Downstream of the first impeller IP1, the process fluid PF reaches a radially outwardly directed first section SG1 and is decelerated there, passes downstream into an approximately 180 ° deflection of a second section SG2 and then into a radially inward direction Returning a third section SG3 of the feedback stage RCH.
  • the process fluid PF flows in a fourth section SG4 from radially inward into the second impeller IP2 in a direction of axial flow and is then again accelerated radially outward.
  • the return stage RCH comprises a blade floor RR, vanes VNS and an intermediate floor DGP.
  • the intermediate bottom DGP is supported by means of at least one support SUP in a support device - here in a housing CAS - and positioned there.
  • the support SUP and the supporting portion of the housing CAS are in this case designed as a tongue and groove connection form-fitting.
  • the return stage RCH or the blade bottom RR and the intermediate bottom DGP have a parting line which extends in a common plane substantially along the axis X. Expedient for the assembly, this parting line is located in the identical part of the joint plane, such as a parting line of the housing CAS, not shown.
  • the rotor is designed to be divisible between two wheels or that the wheels are designed to be displaceable axially relative to each other for the purpose of mounting, so that the return stages RTC are formed undivided can be gradually assembled together with the impellers IP1, IP2 of the rotor before merging with a surrounding housing.
  • the housing CAS can in any case be formed horizontally or vertically divided.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a vane VNS of a feedback stage RCH invention.
  • the vane VNS is shown in connection with the axis X and a radial direction R perpendicular thereto.
  • a reference plane PRF which is spanned by the axis X and the radial direction R, indicated at different points to illustrate geometric relationships.
  • the vane VNS includes an airfoil VAF extending along a span SPW, the sides of which flow around it SFT extending from the upstream leading edge LDE as a pressure side PRS and as a suction side PCS along a skeleton line SCL spaced apart by profile cross sections PRC to an exit edge TLE.
  • a span SPW span SPW
  • the sides of which flow around it SFT extending from the upstream leading edge LDE as a pressure side PRS and as a suction side PCS along a skeleton line SCL spaced apart by profile cross sections PRC to an exit edge TLE.
  • At the end of the span two tangents TGT are drawn on the skeleton line SCL and also on half the span 1 ⁇ 2SPW illustrates a tangent TGT on the skeleton line SCL that for each profile cross section PRC a vane construction angle VCR to the radial-axial reference plane PRF is defined for each point of the skeleton line SCL.
  • FIG. 2 In addition to a curved trailing edge TLE, it also shows a straight trailing edge TLE 'and a two kinked trailing trailing edge TLE "formed by cutting away portions of the original aerofoil VAF in the two end portions of the span SPW.
  • FIG. 3 shows a built-in vane VNS a feedback stage RCH invention.
  • the region in which the vane VNS is provided in the return stage RCH extends substantially from radially outward to radially inward along the first flow direction FD1 of the process fluid PF.
  • a screw SCR extends in the spanwise direction through the blade VAF.
  • FIG. 4 shows the same situation as the FIG. 3 with a differently designed vane VNS.
  • the vane VNS the FIG. 4 is cylindrically shaped and has recessed portions of the exit edge TLE "at both ends of the span SPW, which corresponds to the representation of one (TLE") of the three alternatives in FIG FIG. 2 ,

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe (RCH) einer Radialturbomaschine (RTM) mit mindestens einer Leitschaufelstufe (VST), wobei die Rückführstufe (RCH) sich ringförmig um eine Achse (X) erstreckt, wobei die Rückführstufe (RCH) nach radial innen von einer inneren Grenzkontur (IDC) und nach radial außen von einer äußeren Grenzkontur (ODC) definiert ist, wobei die Leitschaufelstufe (VST) Leitschaufeln (VNS) umfasst, dessen umströmten Oberflächen (SFC) sich von einer stromaufwärts befindlichen Eintrittskante (LDE) als eine Druckseite (PRS) und als eine Saugseite (PCS) entlang einer Skelettlinie (SCL) voneinander beabstandet um Profilquerschnitte (PRC) bis zu einer Austrittskante (TLE) erstrecken, wobei eine Tangente an der Skelettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) zu einer radial-axialen Referenzebene (PRF) einen Schaufelkonstruktionswinkel (CVA) für jeden Punkt der Skelettlinie (SCL) einschließt, wobei eine Differenz zwischen einem Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) an der Eintrittskante (LDE) und einem Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) an einer stromabwärtigen Position einen Umlenkungswinkel (RDA) für jeden Punkt der Skelettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) definiert, wobei die Leitschaufeln (VNS) sich zumindest entlang eines Teils des dritten Abschnitts (SG3) erstrecken, wobei die Austrittskanten (TLE) im dritten Abschnitt (SG3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an den Austrittskanten (TLE) in der Mitte der Spannweite (SPW) der Umlenkungswinkel (RDA) jeweils größer ist als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel (RAM), wobei an den beiden Enden der Spannweite (SPW) zu jeweils mindestens 10% der Spannweite jeweils der Umlenkungswinkel (RDA) kleiner ist als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel (RAM).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe einer Radialturbomaschine mit mindestens einer Leitschaufelstufe, wobei die Rückführstufe sich ringförmig um eine Achse erstreckt, wobei die Rückführstufe nach radial innen von einer inneren Grenzkontur und nach radial außen von einer äußeren Grenzkontur definiert ist, wobei entlang einer ersten Durchströmungsrichtung die Rückführstufe sich in einem ersten Abschnitt nach radial außen erstreckt, wobei die Rückführstufe sich in einem zweiten Abschnitt entlang der ersten Durchströmungsrichtung eine bogenförmige Umlenkung beschreibend von radial außen nach radial innen erstreckt, wobei die Rückführstufe sich entlang der ersten Durchströmungsrichtung in einem dritten Abschnitt von radial außen nach radial innen erstreckt, wobei die Rückführstufe sich entlang der ersten Durchströmungsrichtung in einem vierten Abschnitt eine bogenförmige Umlenkung beschreibend von radial innen nach axial erstreckt, wobei die Leitschaufelstufe Leitschaufeln umfasst, wobei die Leitschaufeln jeweils ein sich entlang einer Spannweite erstreckendes Schaufelblatt umfassen, dessen umströmten Oberflächen sich von einer stromaufwärts befindlichen Eintrittskante als eine Druckseite und als eine Saugseite entlang einer Skelettlinie voneinander beabstandet um Profilquerschnitte bis zu einer Austrittskante erstrecken, wobei eine Tangente an der Skelettlinie eines jeden Profilquerschnitts zu einer radial-axialen Referenzebene einen Schaufelkonstruktionswinkel für jeden Punkt der Skelettlinie einschließt, wobei eine Differenz zwischen einem Schaufelkonstruktionswinkel an der Eintrittskante und einem Schaufelkonstruktionswinkel an einer stromabwärtigen Position einen Umlenkungswinkel für jeden Punkt der Skelettlinie eines jeden Profilquerschnitts definiert, wobei ein mittlerer Gesamtumlenkungswinkel ein über die Spannweite gemittelter Umlenkungswinkel an der Austrittskante ist, wobei die Leitschaufeln sich zumindest entlang eines Teils des dritten Abschnitts erstrecken und die Rückführstufe in Umfangsrichtung in Strömungskanäle segmentiert, wobei die Austrittskanten im dritten Abschnitt angeordnet sind.
  • Radialturbomaschinen sind entweder als Radialturboverdichter oder Radialturboexpander bekannt. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich - wenn nicht anders angegeben - auf die Ausführung als Verdichter. Die Erfindung ist für Expander grundsätzlich genauso anwendbar, wie für Verdichter, wobei ein Radialturboexpander gegenüber einem Radialturboverdichter im Wesentlichen eine umgekehrte Strömungsrichtung des Prozessfluids vorsieht.
  • Unter Entspannung und Umlenkung eines Prozessfluid findet bei einem Radialturboexpander eine Umwandlung der thermodynamisch im Prozessfluid gespeicherten Energie in technische Arbeit mittels Antriebs des Laufrads statt.
    Bei Radialturboverdichter ist dieser Vorgang umgekehrt, diese wandeln bzw. speichern technische Arbeit in Strömungsarbeit, die thermodynamisch im Prozessfluid gespeichert wird. Hierzu saugen Laufräder des Verdichters in der Regel ein Prozessfluid axial zu einer Rotationsachse oder schräg zu der Rotationsachse mit einer axialen Geschwindigkeitskomponente an und beschleunigen und verdichten dieses Prozessfluid mittels des jeweiligen Laufrads - das auch als Impeller bezeichnet wird -, das die Strömungsrichtung des Prozessfluids in die radiale Richtung umlenkt. An das Laufrad schließt sich bei einem mehrstufigen Radialturboverdichter stromabwärts eine Rückführstufe an, wenn stromabwärts mindestens ein weiteres Laufrad vorgesehen ist.
  • In den Schriften DE102014203251A1 , DE 34 303 07 A1 und EP 592 803 B1 sind jeweils Rückführstufen eines mehrstufigen Turboverdichters abgebildet. Eine aerodynamische Betrachtung von Rückführstufen enthalten die US 2010/0272564 A1 und die WO2014072288A1 .
  • Aus dem Aufsatz "Design exploration of a return channel for multistage centrifugal compressors" der Konferenz "Proceedings of the ASME Turbo Expo" des Bands/Jahrgangs 2016 der Autoren Vishal Jariwala, Louis Larosiliere und James Hardin ist eine Analyse komplexer Leitschaufelgeometrien entnehmbar. Die vorgeschlagenen Leitschaufeln erstreciken sich jeweils bis in die 90° Umlenkung des vierten Abschnitts der Rückführstufe, um die spannweitenmäßige Homogenität der Abströmung zu verbessern. Derartige Rückführstufen sind aufwändig zu fertigen und aufwändig zu montieren.
  • Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, die Aerodynamik der Rückführstufen zu verbessern ohne eine derartige Aufwände in Kauf nehmen zu müssen.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe schlägt die Erfindung eine Rückführstufe gemäß Anspruch 1 vor. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Begriffe axial, radial, tangential, Umfangsrichtung und ähnliche werden hierbei bzw. in diesem Dokument jeweils auf die zentrale Achse bezogen, um die sich die Rückführstufe ringförmig erstreckt. Diese Achse ist bei einer Radialturbomaschine auch die Rotationsachse eines Rotors bzw. der Welle mit den Laufrädern.
  • Eine mehrstufige Radialturbomaschine bedeutet in der Begriffswelt dieser Erfindung, dass mehrere Laufräder um die gleiche Rotationsachse drehbar angeordnet sind. Hierbei ist ein Laufrad gleichzusetzen mit einer Stufe der Radialturbomaschine. Aus der Mehrstufigkeit ergibt sich das Erfordernis, dass im Falle des Verdichters das radial aus dem Laufräder ausströmende Prozessfluid wieder zurück in Richtung der Rotationsachse geführt werden muss und mit einer axialen Geschwindigkeitskomponente in das nachfolgende Laufrad der stromabwärtigen Stufe einströmen kann. Die Strömungsführung, die diese Rückführung des Prozessfluids ermöglicht nennt sich daher "Rückführstufe". Im Falle des Expanders kann das Bauteil identisch ausgebildet sein und wird lediglich in umgekehrter Richtung durchströmt.
  • Neben der Rückführung des Prozessfluides in Richtung der Rotationsachse und der Umlenkung der Strömungsrichtung des Prozessfluids in axiale Richtung sind in den Rückführstufen erfindungsgemäß auch Leitschaufeln vorgesehen, die einen in der Strömung aus dem stromaufwärtigen Laufrad aufgeprägten Drall zumindest teilweise oder vollständig neutralisieren oder sogar einen Drall in Gegenrichtung aufprägen für den Eintritt in die nächste stromabwärtige Stufe.
  • Die erfindungsgemäß bevorzugte Ausfertigung einer Rückführstufe sieht vor, dass dieses Gesamtbauteil mittels eines sogenannten Zwischenbodens mittels geeigneter Auflager in der Regel in einem Gehäuse oder einer sonstigen Auflagevorrichtung abgestützt und ausgerichtet ist. Weiterhin umfasst die Rückführstufe einen sogenannten Schaufelboden, der an dem Zwischenboden mit den bereits erläuterten Leitschaufeln unter Ausbildung eines Rückführkanals befestigt ist. Durch den Rückführkanal strömt das Prozessfluid zum nächsten Laufradeintritt. In diesem Gebilde kommen den Leitschaufeln zwei Funktionen zu. Einerseits haben die Leitschaufeln die aerodynamische Funktion, dem Prozessfluid einen Gegendrall soweit aufzuprägen, dass zumindest der Drall aus der stromaufwärtigen Stufe weitestgehend kompensiert ist und andererseits haben die Leitschaufeln die mechanische Aufgabe, den Schaufelboden an dem Zwischenboden derart zu befestigen, dass trotz der dynamischen Belastung ein sicherer Halt gewährleistet ist.
  • Die sich in der Rückführstufe befindende Leitschaufelstufe umfasst Leitschaufeln, die die Ringform der Rückführstufe in Umfangsrichtung in einzelne Kanäle segmentieren. Grundsätzlich können diese Leitschaufeln auch Unterbrechungen (split) aufweisen, sind aber nach der Erfindung bevorzugt entlang der ersten Strömungsrichtung ununterbrochen ausgebildet. Die Leitschaufeln weisen Profile auf, die sich - entsprechend abgewickelt - auch zweidimensional darstellen lassen. Eine zweidimensionale Darstellung ist beispielsweise möglich, wenn der ringförmige Kanal der Rückführstufe entlang einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden mittleren Fläche geschnitten wird. Diese Schnittfläche einer einzelnen Leitschaufel lässt sich in eine Ebene abwickeln, zu einer zweidimensionalen Darstellung. Eine Profilmittellinie der aufeinandergestapelten Profile der Leitschaufeln ist erzeugbar mittels Mittelpunkten eingeschriebener Kreise in dem Profil. Diese Profilmittellinie wird nachfolgend auch als Skelettlinie bezeichnet.
  • Mit der Profilmittellinie lässt sich eine Profilmittellinienlaufkoordinate oder Skelettlinielaufkoordinate entlang der ersten Durchströmungsrichtung entlang einer mittleren Höhe der jeweiligen Leitschaufel definieren. Die Länge der Leitschaufel entlang dieser Koordinate ist bevorzugt normiert auf eine Gesamtlänge 1 bzw. 100%.
  • Die Höhenrichtung der Leitschaufel wird vorliegend als die Richtung definiert, die senkrecht zu der Durchströmungsrichtung - insbesondere zur ersten Durchströmungsrichtung - und senkrecht zu der Umfangsrichtung orientiert ist. Die Höhe der Schaufel bzw. Höhenrichtung bezeichnet dieses Dokument als Spannweite bzw. Spannweitenrichtung der Schaufel.
  • Die Profilmittellinie der Leitschaufel unmittelbar angrenzend an der äußeren Grenzkontur des ringförmigen Kanals der Rückführstufe wird hier als äußere Spur der Leitschaufel bezeichnet und die Profilmittellinie des unmittelbar an der inneren Grenzkontur befindlichen Profilquerschnitts der Leitschaufel wird als die innere Spur der Leitschaufel bezeichnet. In diesem Zusammenhang kann die äußere Grenzkontur der Rückführstufe auch als deckscheibenseitige Grenzkontur bezeichnet werden, weil ein mit einer Deckscheibe versehenes Laufrad diese Deckscheibe auf der Seite der äußeren Grenzkontur aufweist. Die nabenseitige Strömungskontur des Laufrades befindet sich dazu gegenüberliegend auf der inneren Grenzkontur der Rückführstufe, so dass die innere Grenzkontur der Rückführstufe auch als nabenseitige Grenzkontur bezeichnet werden kann. Entlang der komplexen Geometrie der Rückführstufe kann die innere Grenzkontur nicht immer als radial weiter innen liegend angesehen werden als die äußere Grenzkontur für gleiche Positionen entlang einer mittleren Strömungslinie durch die Rückführstufe, so dass derartige alternative Bezeichnungen zum besseren Verständnis zweckmäßig sind.
  • Nach der Erfindung ist der Umlenkungswinkel in der Mitte der Spannweite jeweils größer als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel jeweils bezogen auf die Austrittskanten der Leitschaufeln. Die vorteilhafte Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass diese Formgebung der Leitschaufel einerseits eine für den Wirkungsgrad der Rückführstufe günstige Anströmung des nachfolgenden Laufrades bewirkt und andererseits sowohl hinsichtlich der Fertigung als auch der Montage mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand einhergeht. Dadurch, dass die Eintrittskante bevorzugt erst hinter der 180°-Umlenkung angeordnet ist und die Austrittskante stromaufwärts der 90°-Umlenkung aus der radial nach innen gerichteten Strömung in die axial gerichtete Strömung, befindet sich die Leitbeschaufelung im Wesentlichen in einem radial verlaufenden Strömungskanal ohne zwingende Axialanteile der Strömung. Die erfindungsgemäße Leitschaufelform bereitet die Strömung hinter der 180-Umlenkung und vor der Umleitung in die Axialrichtung so vorteilhaft auf die Einströmung in das Laufrad vor, dass eine Fortsetzung der Leitschaufel in die stromabwärtige Umlenkung in die Axialrichtung nicht erforderlich ist. Herkömmliche Leitschaufelformen in der Rückführstufe nehmen entweder die ungünstige inhomogene Strömungsverteilung in Spannweitenrichtung in Kauf oder sind aufwändig in die Umlenkungen des zweiten Abschnitts und/oder vierten Abschnitts der Rückführstufe fortgesetzt, um eine vorteilhafte Anströmung des nachfolgenden Laufrades zu gewährleisten. Die nahe an das Laufrad herangeführten Austrittskanten sorgen aber für eine ungünstige Anregung des Laufrades aufgrund der sich dadurch ergebenden Inhomogenitäten in Umfangsrichtung.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Austrittskanten jeweils eine Gerade beschreiben. In dieser Gestaltung werden die Unterschiede im Umlenkwinkel bevorzugt mittels unterschiedlicher Krümmungen der Skelettlinien unterschiedlicher Profile der Spannweite realisiert.
  • Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Austrittskanten gebogen oder geknickt ausgebildet sind. In dem Fall handelt es sich - in anderen Worten - um nicht gerade Ausführungen der Austrittskanten. Hierbei kann die Biegung der Austrittskanten sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung ausgebildet sein und außerdem ist auch jede Mischform dieser Versätze denkbar.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in diesem Zusammenhang sieht vor, dass an den beiden Enden der Spannweite zu jeweils mindestens 7% der Spannweite die Skelettlinien der dortigen Profilquerschnitte kürzer als eine mittlere Skelettlinienlänge ausgebildet sind. Eine derartige Ausführung lässt sich erreichen, wenn beispielsweise bei einer zylindrischen Schaufel oder bei einer nicht-zylindrischen Schaufel die Austrittskanten in diesen beiden Endbereichen der Spannweite gekürzt bzw. das Schaufelblatt an dieser Stelle etwas weggeschnitten bzw. abgeschnitten wird. Dadurch wird die erfindungsgemäß grundsätzlich geforderte Minderumlenkung in den Bereichen der Spannweitenenden auf besonders kostengünstige Weise erreicht.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:
    • Figur 1
    ein axialer Längsschnitt durch den Ausschnitt eines Gehäuses einer Radialturbomaschine mit einer Rückführstufe und Laufrädern,
    Figur 2
    eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leitschaufel mit unterschiedlichen Gestaltungen der Austrittskante,
    Figur 3
    eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Leitschaufel dargestellt im Zusammenhang mit einer erfindungsgemäßen Rückführstufe,
    Figur 4
    eine schematische perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Leitschaufel mit der dazugehörigen Rückführstufe.
  • Figur 1 zeigt eine Rückführstufe RCH einer Radialturbomaschine RTM, die als Radialturboverdichter CO ausgebildet ist.
  • Die hier beispielhaft für einen Radialturboverdichter CO erläuterten Bauteile sind erfindungsgemäß auch umsetzbar als Radialturboexpander, wobei ein Prozessfluid PF diese Bauteile in einem Radialturboverdichter CO in einer ersten Durchströmungsrichtung FD1 und in einem Radialturboexpander in einer entgegengesetzten zweiten Durchströmungsrichtung FD2 durchströmt. Die Schilderungen beziehen sich in diesem Dokument stets auf die erste Durchströmungsrichtung FD1 bzw. einen Radialturboverdichter CO, sofern nicht anders angegeben.
  • Figur 1 zeigt Teile zweier aufeinanderfolgend durchströmter Stufen, einer ersten Stufe ST1 und einer zweiten Stufe ST2 einer ausschnittsweise dargestellten Radialturbomaschine RTM bzw. eines Radialturboverdichters CO, wobei eine Rückführstufe RCH zwischen den beiden Stufen ST1, ST2 hierbei vollständig schematisch dargestellt ist. Die beiden Stufen ST1, ST2 sind hier mit um die Rotationsachse X drehbar angeordneten Laufrädern, einem ersten Laufrad IP1 und einem zweiten Laufrad IP2 dargestellt.
  • Ein Prozessfluid PF durchströmt in der Darstellung der Figur 1 zunächst das erste Laufrad IP1 axial einströmend und radial ausströmend entlang einer ersten Durchströmungsrichtung FD1. Nur beispielhaft ist auch eine entgegengesetzt ausgerichtete zweite Durchströmungsrichtung FD2 angegeben, wie diese vorläge bei einem Radialexpander. Stromabwärts anschließend an das erste Laufrad IP1 erreicht das Prozessfluid PF radial nach außen strömend einen radial nach außen gerichteten ersten Abschnitt SG1 und wird dort verzögert, gelangt stromabwärts in eine ca. 180°-Umlenkung eines zweiten Abschnitts SG2 und anschließend in eine radial nach innen gerichtete Rückführung eines dritten Abschnitts SG3 der Rückführstufe RCH. Stromabwärts des dritten Abschnitts SG3 gelangt das Prozessfluid PF in einem vierten Abschnitt SG4 von radial nach innen strömend nach axial strömend umgelenkt in das zweite Laufrad IP2, um dort wieder radial nach außen beschleunigt zu werden.
  • Die Rückführstufe RCH umfasst einen Schaufelboden RR, Leitschaufeln VNS und einen Zwischenboden DGP. Der Zwischenboden DGP ist mittels mindestens eines Auflagers SUP in einer Auflagervorrichtung - hier in einem Gehäuse CAS - abgestützt und dort positioniert. Das Auflager SUP und der abstützende Abschnitt des Gehäuses CAS sind hierbei als Nut-Feder-Verbindung formschlüssig ausgebildet.
  • In nicht näher dargestellter Weise weist die Rückführstufe RCH bzw. weisen der Schaufelboden RR und der Zwischenboden DGP eine Teilfuge auf, die in einer gemeinsamen Ebene im Wesentlichen entlang der Achse X verläuft. Zweckmäßig für die Montage ist diese Teilfuge in der identischen Teilfugenebene gelegen, wie eine nicht dargestellte Teilfuge des Gehäuses CAS.
  • Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Rotor zwischen zwei Laufrädern teilbar ausgebildet ist oder die Laufräder axial zueinander zum Zwecke der Montage verschieblich ausgebildet sind, so dass die Rückführstufen RTC ungeteilt ausgebildet sein können und schrittweise mit den Laufrädern IP1, IP2 des Rotors zusammen montiert werden, bevor ein Zusammenführung mit einem umgebenden Gehäuse stattfindet. Das Gehäuse CAS kann jedenfalls horizontal oder vertikal geteilt ausgebildet sein.
  • Die herkömmliche Ausbildung der Rückführstufe RCH, die in der Figur 1 gezeigt ist, sieht vor, dass der Schaufelboden RR, die Leitschaufeln VNS und der Zwischenboden DGP aneinander befestigt sind. Vorliegend ist dies mittels Schrauben SCR gemacht, die mittels strichpunktierter Linien vereinfacht dargestellt sind. Damit die Schrauben SCR einerseits den Schaufelboden RR an dem Zwischenboden DGP hinreichend befestigen und damit eine Mindeststärke aufweisen müssen, muss andererseits in den Leitschaufeln VNS eine hinreichend große Durchgangsbohrung vorgesehen werden, so dass das Profil der Leitschaufeln VNS hinreichend stark ausgebildet sein muss.
  • Figur 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Leitschaufel VNS einer erfindungsgemäßen Rückführstufe RCH. Die Leitschaufel VNS ist im Zusammenhang mit der Achse X und einer dazu senkrechten Radialrichtung R dargestellt. In der Figur 2 ist eine Referenzebene PRF, die durch die Achse X und die radiale Richtung R aufgespannt wird, an unterschiedlichen Stellen angedeutet, um geometrische Zusammenhänge zu illustrieren.
  • Die Leitschaufel VNS umfasst ein sich entlang einer Spannweite SPW erstreckendes Schaufelblatt VAF, dessen umströmten Oberflächen SFT sich von der stromaufwärts befindlichen Eintrittskante LDE als eine Druckseite PRS und als eine Saugseite PCS entlang einer Skelettlinie SCL voneinander um Profilquerschnitte PRC beabstandet bis zu einer Austrittskante TLE erstrecken. An dem Ende der Spannweite sind zwei Tangenten TGT an der Skelettlinie SCL eingezeichnet und auch auf der Hälfte der Spannweite ½SPW verdeutlicht eine Tangente TGT an der Skelettlinie SCL, dass zu jedem Profilquerschnitt PRC ein Schaufelkonstruktionswinkel VCR zu der radial-axialen Referenzebene PRF für jeden Punkt der Skelettlinie SCL definiert ist. Eine Differenz zwischen dem Schaufelkonstruktionswinkel VCA an der Eintrittskante LDE und einem Schaufelkonstruktionswinkel VCA an einer stromabwärtigen Position definiert hier einen Umlenkungswinkel RDA (RDA(SPW,SCL))=VCA(SPW,SCL=LDE)-VCA(SPW,SCL)) für jeden Punkt der Skelettlinie SCL. Hieraus lässt sich ein mittlerer Gesamtumlenkungswinkel RAM als über die Spannweite SPW übermittelter Umlenkungswinkel RDA an der Austrittskante TLE bestimmen.
  • Die Figur 2 zeigt neben einer gebogenen Austrittskante TLE auch eine gerade Austrittskante TLE' und eine mit zwei Knicken versehene geknickte Austrittskante TLE", die durch das Fortschneiden bzw. Fortlassen von Anteilen des ursprünglichen Schaufelblatts VAF in den beiden Endbereichen der Spannweite SPW entstanden ist.
  • Figur 3 zeigt eine eingebaute Leitschaufel VNS einer erfindungsgemäßen Rückführstufe RCH. Der Bereich, in dem die Leitschaufel VNS in der Rückführstufe RCH vorgesehen ist, erstreckt sich im Wesentlichen von radial außen nach radial innen entlang der ersten Durchströmungsrichtung FD1 des Prozessfluids PF. Zur Befestigung der Anordnung erstreckt sich durch das Schaufelblatt VAF eine Schraube SCR in Spannweitenrichtung.
  • Die Figur 4 zeigt die gleiche Situation, wie die Figur 3 mit einer anders ausgebildeten Leitschaufel VNS. Die Leitschaufel VNS der Figur 4 ist zylindrisch ausgebildet und weist an beiden Enden der Spannweite SPW zurückgeschnittene Bereiche der Austrittkante TLE" auf. Diese Ausführung entspricht der Darstellung einer (TLE") der drei Alternativen in der Figur 2.

Claims (6)

  1. Rückführstufe (RCH) einer Radialturbomaschine (RTM) mit mindestens einer Leitschaufelstufe (VST), wobei die Rückführstufe (RCH) sich ringförmig um eine Achse (X) erstreckt,
    wobei die Rückführstufe (RCH) nach radial innen von einer inneren Grenzkontur (IDC) und nach radial außen von einer äußeren Grenzkontur (ODC) definiert ist,
    wobei entlang einer ersten Durchströmungsrichtung (FD1) die Rückführstufe (RCH) sich in einem ersten Abschnitt (SG1) nach radial außen erstreckt,
    wobei die Rückführstufe (RCH) sich in einem zweiten Abschnitt (SG2) entlang der ersten Durchströmungsrichtung (FD1) eine bogenförmige Umlenkung beschreibend von radial außen nach radial innen erstreckt,
    wobei die Rückführstufe (RCH) sich entlang der ersten Durchströmungsrichtung (FD1) in einem dritten Abschnitt (SG3) von radial außen nach radial innen erstreckt, wobei die Rückführstufe (RCH) sich entlang der ersten Durchströmungsrichtung (FD1) in einem vierten Abschnitt (SG4) eine bogenförmige Umlenkung beschreibend von radial innen nach axial erstreckt,
    wobei die Rückführstufe (RCH) Leitschaufeln (VNS) umfasst, wobei die Leitschaufeln (VNS) jeweils ein sich entlang einer Spannweite (SPW) erstreckendes Schaufelblatt (VAF) umfassen, dessen umströmten Oberflächen (SFC) sich von einer stromaufwärts befindlichen Eintrittskante (LDE) als eine Druckseite (PRS) und als eine Saugseite (PCS) entlang einer Skelettlinie (SCL) voneinander beabstandet um Profilquerschnitte (PRC) bis zu einer Austrittskante (TLE) erstrecken,
    wobei eine Tangente an der Skelettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) zu einer radial-axialen Referenzebene (PRF) einen Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) für jeden Punkt der Skelettlinie (SCL) einschließt,
    wobei eine Differenz zwischen einem Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) an der Eintrittskante (LDE) und einem Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) an einer stromabwärtigen Position einen Umlenkungswinkel (RDA) für jeden Punkt der Skelettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) definiert,
    wobei ein mittlerer Gesamtumlenkungswinkel (RAM) ein über die Spannweite (SPW) gemittelter Umlenkungswinkel (RDA) an der Austrittskante (TLE) ist,
    wobei die Leitschaufeln (VNS) sich zumindest entlang eines Teils des dritten Abschnitts (SG3) erstrecken und die Rückführstufe (RCH) in Umfangsrichtung in Strömungskanäle segmentiert,
    wobei die Austrittskanten (TLE) im dritten Abschnitt (SG3) angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an den Austrittskanten (TLE) in der Mitte der Spannweite (SPW) der Umlenkungswinkel (RDA) jeweils größer ist als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel (RAM),
    wobei an den beiden Enden der Spannweite (SPW) zu jeweils mindestens 10% der Spannweite jeweils der Umlenkungswinkel (RDA) kleiner ist als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel (RAM).
  2. Rückführstufe (RCH) nach Anspruch 1, wobei die Eintrittskanten (LDE) jeweils im dritten Abschnitt (SG3) angeordnet sind.
  3. Rückführstufe (RCH) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Austrittskanten (TLE) jeweils eine Gerade beschreiben.
  4. Rückführstufe (RCH) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Austrittskanten (TLE) gebogen oder geknickt ausgebildet sind.
  5. Rückführstufe (RCH) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei an den beiden Enden der Spannweite (SPW) zu jeweils mindestens 7% der Spannweite die Skelettlinien (SCL) der dortigen Profilquerschnitte (PRC) kürzer als eine mittlere Skelettlinienlänge (SLL) ausgebildet sind.
  6. Rückführstufe (RCH) nach den Ansprüchen 1, 2, 4 und 5, wobei die Leitschaufeln (VNS) eine gerade Eintrittskante aufweisen und im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind, bis auf den Bereich an den beiden Enden der Spannweite (SPW), wobei an den Austrittskanten (TLE) zu jeweils mindestens 7% der Spannweite die Skelettlinien (SCL) der dortigen Profilquerschnitte (PRC) kürzer ausgebildet sind als eine mittlere Skelettlinienlänge (SLL).
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