EP3551890A1 - Rückführstufe - Google Patents

Rückführstufe

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EP3551890A1
EP3551890A1 EP18704418.5A EP18704418A EP3551890A1 EP 3551890 A1 EP3551890 A1 EP 3551890A1 EP 18704418 A EP18704418 A EP 18704418A EP 3551890 A1 EP3551890 A1 EP 3551890A1
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EP
European Patent Office
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stage
rch
span
scl
tle
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EP18704418.5A
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English (en)
French (fr)
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EP3551890B1 (de
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Jörg Paul HARTMANN
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3551890A1 publication Critical patent/EP3551890A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3551890B1 publication Critical patent/EP3551890B1/de
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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 return stage of a radial turbo ⁇ machine with at least one vane stage, wherein the return stage extends annularly around an axis, wherein the return stage is defined radially inwardly by an inner boundary contour and radially outward of an outer boundary contour, wherein along a first return flow direction, the return stage extends radially outward in a first section, the return stage extending in a second section along the first flow direction arcuate deflection descriptive from radially outside to radially inside, wherein the return stage along the first flow direction in a third section extends radially outward to radially inward, wherein the return stage along the first flow direction in a fourth section, an arcuate deflection descriptive of radially inward to axially first extends, wherein the guide vane stage includes vanes, the Leitschau ⁇ blades each comprise a along a span extending airfoil, the flow around surfaces of an upstream leading edge as a pressure side and as a suction
  • 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 for expanders as for compressors, with a radial turbo-expander essentially providing a reverse flow direction of the process fluid compared with a radial turbocompressor.
  • impellers of the compressor is usually a process ⁇ fluid axially to a rotational axis or oblique to the Rota ⁇ tion axis with an axial velocity component and accelerate and compress this process fluid by means of the respective wheel - which is also referred to as impeller - that the direction of flow of the process fluid deflects in the 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.
  • EP 592 803 Bl each return stages of a multi-stage turbocompressor are shown.
  • An aerodynamic view of feedback stages include US 2010/0272564 AI and WO2014072288A1. From the essay "Design exploration of a return channel for multistage centrifugal compressors" of the conference
  • the invention proposes a recycling stage according to claim 1.
  • the Unteran ⁇ claims 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. In a radial turbo machine, this axis is also the axis of rotation of a rotor or of the shaft with the wheels.
  • an impeller is to be equated with a stage of Radialturboma ⁇ machine. From the multi-stage, the requirement that in the case of the compressor, the radially flowing out of the impellers process fluid has to be guided back in the direction of the rota- tion axis and can flow with an axial Ge ⁇ velocity component in the subsequent impeller of downstream stage is obtained.
  • the flow guide which allows this return of the process fluid is called Therefore, "return step.”
  • the construction ⁇ part may be designed identical and merely passes through in the reverse ⁇ opposite direction.
  • the return levels according to the invention also guide vanes, which neutralize the impressed in the flow from the upstream swirl impeller at least partially or completely, or so ⁇ even a twist in the opposite direction stamp for entry into the next downstream stage.
  • a return ⁇ guide 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 Auflagevorrich-. 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 counter - spin to the process fluid to such an extent that at least the twist from the
  • the guide vanes have the mechanical function to fasten the blade bottom at the intermediate bottom such that in spite of the dynamic loading, a secure hold is ensured.
  • 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 which can be represented in two dimensions - correspondingly wound off ⁇ .
  • 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 ⁇ lline is also referred to as a skeleton line.
  • a profile center line 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 vane is present as the
  • 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 immediately adjacent the inner limit contour is referred to as the inner track of the vane.
  • the outer boundary contour of the return step can advertising referred to as a shroud-side boundary contour, because a cover disk provided with a wheel having this cover plate on the side of the outer border contour.
  • the hub-side flow contour of the impeller is located opposite to the inner boundary contour of the return leading level, so that the inner limit contour of the feedback stage can also be referred to as a hub-side boundary contour.
  • the inner boundary contour may not always be considered radially inward than the outer boundary 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 at the center of the span is in each case greater than the mean anglePolumlenkungs- each case based on the trailing edges of the Leitschau ⁇ feln.
  • the advantageous realization of the invention is as ⁇ rin that this shape of the vane on the one hand brings about a favorable for the efficiency of the return step flow of the subsequent impeller and on the other hand is accompanied by a relatively low cost in terms of both production and also assembly.
  • the Leitbeschau ⁇ felung is located substantially in a radially extending flow channel without compelling axial components of the flow.
  • the guide vane shape according to the invention prepares the flow behind the 180 deflection and before the diversion in the axial direction so favorably on the inflow into the impeller that a continuation of the vane into the downstream Um ⁇ steering in the axial direction is not required.
  • impeller brought out exit edges but provide for an unfavorable excitation of the impeller due to the resulting inhomogeneities in the circumferential direction.
  • An advantageous development of the invention provides that the exit edges each describe a straight line.
  • the 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.
  • FIG. 1 shows an axial longitudinal section through the cutout of a housing of a radial turbomachine with a return stage and wheels
  • FIG. 2 shows a schematic perspective illustration of a guide blade according to the invention with different shapes of the trailing edge
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a vane according to the invention shown in connection with a erfindungsge ⁇ MAESSEN return step
  • Figure 4 is a schematic perspective view of another embodiment of a guide vane according to the invention with the associated return stage.
  • FIG. 1 shows a feedback stage RCH of a radial turbomachine RTM, which is designed as a radial turbocompressor CO.
  • Radial turbo 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 turboexpander 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.
  • Figure 1 shows parts of two successively flowed through stages, a first stage ST1 and a second stage ST2, a detail of which is shown radial turbo machine RTM or radial turbo compressor CO, wherein a wastewaterstu ⁇ fe RCH between both stages ST1, ST2 here is shown fully schematically.
  • the two stages ST1, ST2 are here arranged to be rotatable about the rotation axis X.
  • Impellers a first impeller IP1 and a second impeller IP2 shown.
  • 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.
  • Section SG2 and then into a radially inwardly directed ⁇ return of a third section SG3 of the return ⁇ leading stage RCH. Downstream of the third section SG3 ge ⁇ reached, the process fluid PF in a fourth section SG4 from flowing radially inwardly to axially flowing deflected into the second impeller IP2 to be ⁇ there to be accelerated radially outward again.
  • the return stage RCH comprises a blade floor RR, guide vanes VNS and an intermediate floor DGP.
  • the intermediate floor DGP is supported by means of at least one support SUP in an on ⁇ bearing device - here in a housing CAS - and positioned there.
  • the support SUP and the supporting Ab ⁇ section of the housing CAS are formed here as a tongue and groove connection form-fitting.
  • the scaffoldzhoustu ⁇ FE RCH or have the blade bottom RR and the intermediate bottom DGP on a parting line which extends in a common plane substantially along the axis X.
  • 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 it is also conceivable for the rotor to be divisible between two wheels or for the wheels to be axially displaceable relative to one another for the purpose of assembly, so that the return stages RTC are undivided. can be formed and gradually assembled with the Laufrä ⁇ ⁇ dern IP1, IP2 of the rotor together before a merger takes place with a surrounding housing.
  • the housing CAS can in any case be formed horizontally or vertically divided.
  • the conventional design of the return stage RCH provides that the blade floor RR, the guide vanes VNS and the intermediate floor DGP are fastened to one another. In the present case this is by means of screws ge SCR ⁇ makes the simplified means of dash-dotted lines represent ⁇ are provided. So that the screws SCR one hand, the scene ⁇ felboden sufficiently secure RR at the intermediate floor DGP and thus must have a minimum thickness, it must on the other hand a sufficiently large to be provided by ⁇ hole in the vanes VNS, so that the profile of the vanes VNS formed sufficiently strong have to be.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a vane VNS a scaffold manufactured by the vane VNS a scaffold manufactured by the Ach ⁇ se X and a perpendicular radial direction R.
  • a reference plane PRF which is spanned by the Ah ⁇ se X and the radial direction R, indicated in different locations in order to illustrate geometric relationships.
  • the vane VNS includes an extending along a Spannwei ⁇ te SPW airfoil VAF, the flow around surfaces SFT from the upstream inlet edge LDE as a pressure side PRS and as a Saugsei ⁇ te PCS along a skeleton line SCL from each other by profile sections PRC spaced up to a Extend the trailing edge TLE.
  • a vane design angle VCR to the radial-axial direction fresenzebene PRF for each point of the skeleton line SCL defi ⁇ ned is.
  • FIG. 2 shows in addition a curved exit edge TLE also a straight trailing edge TLE ⁇ and provided with two Kni ⁇ CKEN bent trailing edge TLE XX, which is caused by the continued cutting or omission of portions of the original airfoil VAF in the two end regions of the span SPW ,
  • FIG. 3 shows a built-in guide vane VNS of a feedback stage RCH according to the invention.
  • the range in which the vane VNS is provided in the return step RCH he ⁇ extends substantially radially from the outside radially inwardly along the first direction of flow of the FDI process zessfluids PF.
  • a screw SCR extends in spanwise direction through the blade leaf VAF.
  • FIG. 4 shows the same situation as FIG. 3 with a differently designed vane VNS.
  • the Leitschau- fei VNS of Figure 4 is cylindrical and has at both ends of the span SPW back cut regions of the exit edge TLE ⁇ ⁇ .
  • This embodiment corresponds to the representation of one (TLE XX ) of the three alternatives in FIG. 2.

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Abstract

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,<b>dadurch gekennzeichnet, dass</b>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

Beschreibung Rückführstufe Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe einer Radialturbo¬ maschine 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 Leitschau¬ feln 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 Ske¬ lettlinie eines jeden Profilquerschnitts zu einer radial¬ axialen Referenzebene einen Schaufelkonstruktionswinkel für jeden Punkt der Skelettlinie einschließt, wobei eine Diffe¬ renz zwischen einem Schaufelkonstruktionswinkel an der Ein¬ trittskante und einem Schaufelkonstruktionswinkel an einer stromabwärtigen Position einen Umlenkungswinkel für jeden Punkt der Skelettlinie eines jeden Profilquerschnitts defi- niert, wobei ein mittlerer Gesamtumlenkungswinkel ein über die Spannweite gemittelter Umlenkungswinkel an der Austritts¬ kante ist, wobei die Leitschaufeln sich zumindest entlang ei¬ nes Teils des dritten Abschnitts erstrecken und die Rück- führstufe 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 Pro- zessfluids 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 Prozess¬ fluid axial zu einer Rotationsachse oder schräg zu der Rota¬ tionsachse 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 AI und
EP 592 803 Bl sind jeweils Rückführstufen eines mehrstufigen Turboverdichters abgebildet. Eine aerodynamische Betrachtung von Rückführstufen enthalten die US 2010/0272564 AI 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 Vishai 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 auf- wändig zu fertigen und aufwändig zu montieren.
Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe ge¬ macht, 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 Unteran¬ sprüche 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 Radialturbo- maschine auch die Rotationsachse eines Rotors bzw. der Welle mit den Laufrädern.
Eine mehrstufige Radialturbomaschine bedeutet in der Be¬ griffswelt dieser Erfindung, dass mehrere Laufräder um die gleiche Rotationsachse drehbar angeordnet sind. Hierbei ist ein Laufrad gleichzusetzen mit einer Stufe der Radialturboma¬ schine. Aus der Mehrstufigkeit ergibt sich das Erfordernis, dass im Falle des Verdichters das radial aus dem Laufräder ausströmende Prozessfluid wieder zurück in Richtung der Rota- tionsachse geführt werden muss und mit einer axialen Ge¬ schwindigkeitskomponente 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 Bau¬ teil identisch ausgebildet sein und wird lediglich in umge¬ kehrter Richtung durchströmt. Neben der Rückführung des Prozessfluides in Richtung der Rotationsachse und der Umlenkung der Strömungsrichtung des Pro- zessfluids 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 so¬ gar einen Drall in Gegenrichtung aufprägen für den Eintritt in die nächste stromabwärtige Stufe.
Die erfindungsgemäß bevorzugte Ausfertigung einer Rück¬ führstufe sieht vor, dass dieses Gesamtbauteil mittels eines sogenannten Zwischenbodens mittels geeigneter Auflager in der Regel in einem Gehäuse oder einer sonstigen Auflagevorrich- tung 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 Laufrad¬ eintritt. 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 an¬ dererseits 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 ab¬ gewickelt - 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 Profilmitte¬ llinie wird nachfolgend auch als Skelettlinie bezeichnet.
Mit der Profilmittellinie lässt sich eine Profilmittellinien- laufkoordinate 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 bezeich- net und die Profilmittellinie des unmittelbar an der inneren Grenzkontur befindlichen Profilquerschnitts der Leitschaufel wird als die innere Spur der Leitschaufel bezeichnet. In die¬ sem Zusammenhang kann die äußere Grenzkontur der Rückführstufe auch als deckscheibenseitige Grenzkontur bezeichnet wer- den, 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 Rück- führstufe, 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 lie- gend 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 Gesamtumlenkungs- winkel jeweils bezogen auf die Austrittskanten der Leitschau¬ feln. Die vorteilhafte Erkenntnis der Erfindung besteht da¬ rin, 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 Leitbeschau¬ felung im Wesentlichen in einem radial verlaufenden Strömungskanal ohne zwingende Axialanteile der Strömung. Die er- findungsgemäße 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 Um¬ lenkung in die Axialrichtung nicht erforderlich ist. Herkömm- liehe 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 bevor- zugt 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 Skelett- linienlänge 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 weg- geschnitten 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 er¬ läutert. 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 erfindungsge¬ mäßen 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 er- läuterten 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 durch- strömt. 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 Rückführstu¬ fe 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 aus- gerichtete zweite Durchströmungsrichtung FD2 angegeben, wie diese vorläge bei einem Radialexpander. Stromabwärts an¬ schließend an das erste Laufrad IP1 erreicht das Prozess¬ fluid PF radial nach außen strömend einen radial nach außen gerichteten ersten Abschnitt SGI und wird dort verzögert, ge- langt stromabwärts in eine ca. 180 ° -Umlenkung eines zweiten
Abschnitts SG2 und anschließend in eine radial nach innen ge¬ richtete Rückführung eines dritten Abschnitts SG3 der Rück¬ führstufe RCH. Stromabwärts des dritten Abschnitts SG3 ge¬ langt 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 be¬ schleunigt zu werden.
Die Rückführstufe RCH umfasst einen Schaufelboden RR, Leit- schaufeln VNS und einen Zwischenboden DGP. Der Zwischenboden DGP ist mittels mindestens eines Auflagers SUP in einer Auf¬ lagervorrichtung - hier in einem Gehäuse CAS - abgestützt und dort positioniert. Das Auflager SUP und der abstützende Ab¬ schnitt des Gehäuses CAS sind hierbei als Nut-Feder- Verbindung formschlüssig ausgebildet.
In nicht näher dargestellter Weise weist die Rückführstu¬ fe 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 ausge- bildet sein können und schrittweise mit den Laufrä¬ dern 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 ge¬ macht, die mittels strichpunktierter Linien vereinfacht dar¬ gestellt sind. Damit die Schrauben SCR einerseits den Schau¬ felboden RR an dem Zwischenboden DGP hinreichend befestigen und damit eine Mindeststärke aufweisen müssen, muss anderer- seits in den Leitschaufeln VNS eine hinreichend große Durch¬ gangsbohrung 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 Rückführstu¬ fe RCH. Die Leitschaufel VNS ist im Zusammenhang mit der Ach¬ se X und einer dazu senkrechten Radialrichtung R dargestellt. In der Figur 2 ist eine Referenzebene PRF, die durch die Ach¬ se X und die radiale Richtung R aufgespannt wird, an unter- schiedlichen Stellen angedeutet, um geometrische Zusammenhänge zu illustrieren.
Die Leitschaufel VNS umfasst ein sich entlang einer Spannwei¬ te SPW erstreckendes Schaufelblatt VAF, dessen umströmten Oberflächen SFT sich von der stromaufwärts befindlichen Eintrittskante LDE als eine Druckseite PRS und als eine Saugsei¬ te PCS entlang einer Skelettlinie SCL voneinander um Profilquerschnitte PRC beabstandet bis zu einer Austrittskante TLE erstrecken. An dem Ende der Spannweite sind zwei Tangen- ten TGT an der Skelettlinie SCL eingezeichnet und auch auf der Hälfte der Spannweite ^SPW verdeutlicht eine Tangente TGT an der Skelettlinie SCL, dass zu jedem Profilquerschnitt PRC ein Schaufelkonstruktionswinkel VCR zu der radial-axialen Re- ferenzebene PRF für jeden Punkt der Skelettlinie SCL defi¬ niert ist. Eine Differenz zwischen dem Schaufelkonstruktions¬ winkel VCA an der Eintrittskante LDE und einem Schaufel¬ konstruktionswinkel VCA an einer stromabwärtigen Position de- finiert 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 Ge- samtumlenkungswinkel RAM als über die Spannweite SPW übermit¬ telter Umlenkungswinkel RDA an der Austrittskante TLE bestim- men.
Die Figur 2 zeigt neben einer gebogenen Austrittskante TLE auch eine gerade Austrittskante TLE λ und eine mit zwei Kni¬ cken versehene geknickte Austrittskante TLEX X, 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 erfin- dungsgemäßen Rückführstufe RCH. Der Bereich, in dem die Leitschaufel VNS in der Rückführstufe RCH vorgesehen ist, er¬ streckt sich im Wesentlichen von radial außen nach radial innen entlang der ersten Durchströmungsrichtung FDl des Pro- zessfluids PF. Zur Befestigung der Anordnung erstreckt sich durch das Schaufelblatt VAF eine Schraube SCR in Spannweiten¬ richtung .
Die Figur 4 zeigt die gleiche Situation, wie die Figur 3 mit einer anders ausgebildeten Leitschaufel VNS. Die Leitschau- fei VNS der Figur 4 ist zylindrisch ausgebildet und weist an beiden Enden der Spannweite SPW zurückgeschnittene Bereiche der Austrittkante TLE λ λ auf. Diese Ausführung entspricht der Darstellung einer (TLEX X) der drei Alternativen in der Figur 2.

Claims

Patentansprüche
1. Rückführstufe (RCH) einer Radialturbomaschine (RTM) mit mindestens einer Leitschaufelstufe (VST) , wobei die Rück- führstufe (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 (SGI) nach radial außen erstreckt,
wobei die Rückführstufe (RCH) sich in einem zweiten Ab¬ schnitt (SG2) entlang der ersten Durchströmungsrich- tung (FD1) eine bogenförmige Umlenkung beschreibend von ra¬ dial 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) um¬ fassen, 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) erstre¬ cken,
wobei eine Tangente an der Skelettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) zu einer radial-axialen Referenz- ebene (PRF) einen Schaufelkonstruktionswinkel (VCA) für je¬ den Punkt der Skelettlinie (SCL) einschließt,
wobei eine Differenz zwischen einem Schaufelkonstruktions¬ winkel (VCA) an der Eintrittskante (LDE) und einem Schau- felkonstruktionswinkel (VCA) an einer stromabwärtigen Posi¬ tion einen Umlenkungswinkel (RDA) für jeden Punkt der Ske¬ lettlinie (SCL) eines jeden Profilquerschnitts (PRC) defi¬ niert,
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 Rück- führstufe (RCH) in Umfangsrichtung in Strömungskanäle seg¬ mentiert,
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 Umlenkungswin- kel (RDA) kleiner ist als der mittlere Gesamtumlenkungswinkel (RAM) .
2. Rückführstufe (RCH) nach Anspruch 1, wobei die Eintrittskanten (LDE) jeweils im dritten Abschnitt (SG3) ange- ordnet 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 mindes¬ tens 7% der Spannweite die Skelettlinien (SCL) der dortigen Profilquerschnitte (PRC) kürzer als eine mittlere Skelett- linienlänge (SLL) ausgebildet sind.
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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