EP3551890B1 - Rückführstufe - Google Patents

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EP3551890B1
EP3551890B1 EP18704418.5A EP18704418A EP3551890B1 EP 3551890 B1 EP3551890 B1 EP 3551890B1 EP 18704418 A EP18704418 A EP 18704418A EP 3551890 B1 EP3551890 B1 EP 3551890B1
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EP
European Patent Office
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rch
return stage
section
stage
along
Prior art date
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EP18704418.5A
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EP3551890A1 (de
Inventor
Jörg Paul HARTMANN
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3551890A1 publication Critical patent/EP3551890A1/de
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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 guide vane stage, the return stage extending in a ring around an axis, the return stage being defined radially inward by an inner boundary contour and radially outward by an outer boundary contour, the return stage along a first flow direction extends radially outward in a first section, wherein the return stage extends in a second section along the first flow direction, describing an arcuate deflection, from radially outside to radially inward, wherein the return stage extends along the first flow direction in a third section from radially outside to extends radially inward, the return stage extending along the first flow direction in a fourth section, describing an arcuate deflection, extending from radially inward to axially, the guide vane stage comprising guide vanes, where in which the guide vanes each comprise an airfoil extending along a span, the surfaces of which extend from an upstream leading edge as a pressure side and as a su
  • Radial turbo machines are known as either radial turbo compressors or radial turbo expanders. Unless otherwise stated, the following statements refer to the version as a compressor. In principle, the invention can be used for expanders in the same way as for compressors, a radial turbo expander essentially providing a reverse flow direction of the process fluid compared to a radial turbo compressor.
  • thermodynamically in the process fluid is converted into technical work by means of a drive of the impeller while a process fluid is relaxed and deflected.
  • impellers of the compressor usually suck in a process fluid axially to an axis of rotation or at an angle to the axis of rotation with an axial speed component and accelerate and compress this process fluid by means of the respective impeller - which is also referred to as an impeller - which controls the flow direction of the process fluid deflects radial direction.
  • the impeller is followed downstream by a return stage if at least one further impeller is provided downstream.
  • the WO2016047256 shows a recycle stage that has non-cylindrical guide vanes. Deflection angles are there not specified.
  • the documents US 2010/272564 A1 are there not specified.
  • JP H11 173299 A show aerodynamic designs of comparable configurations.
  • the invention has set itself the task of improving the aerodynamics of the feedback stages without having to accept such expenses.
  • the invention proposes a recycle stage according to claim 1.
  • the subclaims contain advantageous developments of the invention.
  • axial, radial, tangential, circumferential direction and the like are here or in this document each related to the central axis around which the return stage extends in an annular manner.
  • this axis is also the axis of rotation of a rotor or the shaft with the running wheels.
  • cylinder In the case of the terms cylinder or cylindrical, the invention is based on the general mathematical understanding of the term.
  • a plane curve in a plane is shifted by a fixed distance along a straight line that is not contained in the starting plane. Two corresponding points of the curves and the shifted curve are connected by a segment. The entirety of these parallel routes forms the associated cylinder surface (see also definition Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Zylinder_(Geometrie)#Allgemein er_Zylinder)).
  • the cylinder is not limited to the shape of a circular cylinder.
  • a cylindrical design means that the blade - formed from individual profiles that are stacked along a threading line - are stacked along a straight threading line. It is irrelevant here whether the blade extends along a contoured or curved flow channel or whether the flow channel is straight. The decisive factor is the straight extension in the spanwise direction of the blade, which leads to the designation "cylindrical blade".
  • a multistage radial turbo machine means that several running wheels are arranged to be rotatable about the same axis of rotation.
  • an impeller is to be equated with a stage of the radial turbomachine.
  • the multistage requires that, in the case of the compressor, the process fluid flowing radially out of the impellers must be guided back in the direction of the axis of rotation and can flow into the subsequent impeller of the downstream stage with an axial speed component.
  • the flow guidance that enables this return of the process fluid is therefore called the "return stage".
  • the component can be of identical design and the flow is only flowed through in the opposite direction.
  • guide vanes are also provided in the return stages, which at least partially or completely neutralize a swirl created in the flow from the upstream impeller or even a swirl in the opposite direction imprint for entry into the next downstream stage.
  • a return stage preferred according to the invention 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 some other support device. Furthermore, the return stage comprises a so-called vane bottom, which is attached to the intermediate bottom with the guide vanes already explained, forming a return channel. The process fluid flows through the return channel to the next impeller inlet.
  • the guide vanes have two functions.
  • the guide vanes have the aerodynamic function of imposing a counter-swirl on the process fluid to the extent that at least the swirl from the upstream stage is largely compensated, and on the other hand, the guide vanes have the mechanical task of fastening the vane bottom to the intermediate bottom in such a way that, despite the dynamic load, a a secure hold is guaranteed.
  • the guide vane stage located in the return stage comprises guide vanes which segment the annular shape of the return stage into individual channels in the circumferential direction.
  • these guide vanes can also have interruptions (split), but according to the invention are preferably designed to be uninterrupted along the first flow direction.
  • the guide vanes have profiles which - if unwound accordingly - can also be represented in two dimensions. A two-dimensional representation is possible, for example, if the annular channel of the return stage is cut along a central surface extending in the circumferential direction. This cut surface of a single guide vane can be developed into a plane, for 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 the skeleton line.
  • the profile center line can be used to define a profile center line running coordinate or skeletal line running coordinate along the first flow direction along a mean height of the respective guide vane.
  • the length of the guide vane along this coordinate is preferably normalized to a total length of 1 or 100%.
  • the height direction of the guide vane is defined in the present case 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 the height direction is referred to in this document as the span width or span direction of the blade.
  • the profile center line of the guide vane directly adjacent to the outer boundary contour of the annular channel of the return stage is referred to here as the outer track of the guide vane and the profile center line of the profile cross section of the guide vane located directly on the inner boundary contour is referred to as the inner track of the guide vane.
  • the outer boundary contour of the return stage can also be referred to as the boundary contour on the cover disk side, 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 on the inner boundary contour of the return stage, so that the inner boundary contour of the return stage can also be referred to as the hub-side boundary contour. Due to the complex geometry of the return stage, the inner limit contour cannot always be viewed as being located radially further inward than the outer limit contour for the same positions along a central flow line through the return stage, so that such alternative designations are useful for better understanding.
  • the deflection angle in the middle of the span is greater than the average total deflection angle in each case based on the trailing edges of the guide vanes.
  • the advantageous knowledge of the invention consists in the fact that this shape of the guide vane on the one hand results in a flow to the downstream impeller which is favorable for the efficiency of the return stage and on the other hand is associated with relatively little effort both in terms of manufacture and assembly. Due to the fact that the leading edge is preferably only arranged behind the 180 ° deflection and the trailing edge upstream of the 90 ° deflection from the radially inward flow into the axially directed flow, the guide vanes are essentially located in a radially running flow channel without mandatory 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 advantageously for the inflow into the impeller that a continuation of the guide vane in the downstream deflection in the axial direction is not necessary.
  • Conventional guide vane shapes in the recirculation stage either accept the unfavorable, inhomogeneous flow distribution in the spanwise direction, or are laboriously continued in the deflections of the second section and / or fourth section of the recirculation stage in order to ensure an advantageous flow to the downstream impeller.
  • the trailing edges brought up close to the impeller ensure 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 implemented by means of different curvatures of the skeleton lines of different profiles of the span.
  • exit edges are bent or kinked. In that case it is - in other words - not straight designs of the exit edges.
  • the bend of the exit edges can be both in the circumferential direction and in the radial direction be formed and any mixed form of these offsets is also conceivable.
  • skeleton lines of the profile cross-sections there are formed shorter than a mean skeleton line length at least 7% of the span at both ends of the span.
  • a design can be achieved if, for example, in the case of a cylindrical blade or a non-cylindrical blade, the trailing edges in these two end regions of the span are shortened or the blade is slightly cut away or cut off at this point.
  • the reduced deflection required in principle according to the invention in the areas of the span ends is achieved in a particularly cost-effective manner.
  • Figure 1 shows a feedback stage RCH of a radial turbo machine RTM, which is designed as a radial turbo compressor CO.
  • a radial turbo compressor CO can also be implemented according to the invention as radial turbo expanders, with a process fluid PF flowing through these components in a radial turbo compressor CO in a first flow direction FD1 and in a radial turbo expander in an opposite, second flow direction FD2.
  • the descriptions in this document always relate to the first flow direction FD1 or a radial turbo compressor CO, unless stated otherwise.
  • Figure 1 shows parts of two successive stages, a first stage ST1 and a second stage ST2 of a radial turbo machine RTM or a radial turbo compressor CO shown in detail, a return stage RCH between the two stages ST1, ST2 being shown completely schematically.
  • the two stages ST1, ST2 are shown here with impellers arranged to be rotatable about the axis of rotation X, a first impeller IP1 and a second impeller IP2.
  • a process fluid PF first flows through the first impeller IP1, flowing in axially and flowing out radially along a first flow direction FD1.
  • An oppositely oriented second flow direction FD2 is also given as an example, as would be the case with a radial expander.
  • the process fluid PF flows radially outward and reaches a radially outwardly directed first section SG1 and is decelerated there, passes downstream in an approximately 180 ° deflection of a second section SG2 and then in a radially inward one Return of a third section SG3 of the return stage RCH.
  • the process fluid PF reaches the second impeller IP2 in a fourth section SG4, flowing from radially inward to axially flowing, in order to be accelerated radially outward again there.
  • the return stage RCH comprises a blade base RR, guide vanes VNS and an intermediate base DGP.
  • the intermediate floor DGP is supported by at least one support SUP in a support device - here in a housing CAS - and positioned there.
  • the support SUP and the supporting section of the housing CAS are designed as a tongue and groove connection in a form-fitting manner.
  • the return stage RCH or the blade bottom RR and the intermediate bottom DGP have a parting joint which runs in a common plane essentially along the axis X.
  • This parting line is conveniently located in the same parting line as a parting line, not shown, of the CAS housing.
  • the rotor is designed to be divisible between two impellers or the impellers are designed to be axially displaceable in relation to one another for the purpose of assembly, so that the return stages RTC can be designed in one piece and 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 designed to be divided horizontally or vertically.
  • the conventional design of the feedback stage RCH which is in the Figure 1 is shown, provides that the blade base RR, the guide vanes VNS and the intermediate base DGP are attached to one another. In the present case, this is done using SCR screws, which are shown in simplified form by means of dash-dotted lines. So that the SCR screws on the one hand the bucket bottom On the other hand, a sufficiently large through-hole must be provided in the guide vanes VNS so that the profile of the guide vanes VNS must be sufficiently strong.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective illustration of a guide vane VNS of a return stage RCH according to the invention.
  • the guide 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, is indicated at different points in order to illustrate geometric relationships.
  • the guide vane VNS comprises an airfoil VAF extending along a span SPW, the surfaces SFT of which extend from the upstream leading edge LDE as a pressure side PRS and as a suction side PCS along a skeleton line SCL spaced from one another by profile cross sections PRC up to an exit edge TLE.
  • a tangent TGT on the skeleton line SCL shows that for every profile cross section PRC a blade construction angle VCR to the radial-axial reference plane PRF for each point of Skeleton line SCL is defined.
  • RDA RDA (SPW, SCL)
  • the Figure 2 shows in addition to a curved trailing edge TLE also a straight trailing edge TLE 'and one with two kinks provided kinked trailing edge TLE ", which was created by cutting away or leaving out portions of the original blade VAF in the two end regions of the span SPW.
  • Figure 3 shows a built-in guide vane VNS of a return stage RCH according to the invention.
  • the area in which the guide vane VNS is provided in the return stage RCH extends essentially from radially outside to radially inside along the first throughflow direction FD1 of the process fluid PF.
  • a screw SCR extends through the blade VAF in the spanwise direction.
  • the Figure 4 shows the same situation as that Figure 3 with a differently designed guide vane VNS.
  • the guide vane VNS of the Figure 4 is cylindrical and has cut back areas of the trailing edge TLE "at both ends of the span SPW. This embodiment corresponds to the representation of one (TLE") of the three alternatives in FIG Figure 2 .

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

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 .
  • Die WO2016047256 zeigt eine Rückführstufe, die nicht zylindrische Leitschaufeln aufweist. Umlenkungswinkel sind dort nicht spezifiziert. Die Dokumente US 2010/272564 A1 ,
  • DE 10 2014 223833 A1 , JP H11 173299 A zeigen aerodynamische Gestaltungen vergleichbarer Konfigurationen.
  • 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 erstrecken 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.
  • Die Erfindung geht bei den Begriffen Zylinder bzw. zylindrisch von dem allgemeinen mathematischen Verständnis des Begriffs aus. Eine ebene Kurve in einer Ebene wird entlang einer Gerade, die nicht in Ausgangs-Ebene enthalten ist, um eine feste Strecke verschoben. Je zwei sich entsprechenden Punkte der Kurven und der verschobenen Kurve werden durch eine Strecke verbunden. Die Gesamtheit dieser parallelen Strecken bildet die zugehörige Zylinder-Fläche (siehe auch Definition Wikipedia (https://de.wikipedia.org/wiki/Zylinder_(Geometrie)#Allgemein er_Zylinder)). Dementsprechend ist vorliegend der Zylinder nicht beschränkt auf die Form eines Kreiszylinders. Bezogen auf eine Schaufel bedeutet eine zylindrische Ausbildung, dass die Schaufel - gebildet aus einzelnen Profilen die entlang einer Auffädelungslinie gestapelt sind - entlang einer geraden Auffädelungslinie gestapelt sind. Hierbei ist es unbeachtlich, ob sich die Schaufel entlang eines konturierten oder gekrümmten Strömungskanals erstreckt oder der Strömungskanal gerade ist. Entscheidend ist die gerade Erstreckung in Spannweitenrichtung der Schaufel, die zu der Bezeichnung "zylindrische Schaufel" führt.
  • 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 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 segmentieren,
    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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