EP3798453A1 - Strömungsführung einer radialturbomaschine, rückführstufe, radialturbomaschine, verfahren zur herstellung - Google Patents

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EP3798453A1
EP3798453A1 EP19199850.9A EP19199850A EP3798453A1 EP 3798453 A1 EP3798453 A1 EP 3798453A1 EP 19199850 A EP19199850 A EP 19199850A EP 3798453 A1 EP3798453 A1 EP 3798453A1
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EP
European Patent Office
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flow
flg
flow guide
cross
radial
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19199850.9A
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French (fr)
Inventor
Martin Reimann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a flow guide of a radial turbo-machine, the flow guide having several flow channels side by side through which a flow fluid to be guided flows in parallel in an operation, the flow channels each having a specific channel cross-section along a spatial flow line for each line point, which is delimited by a channel cross-sectional contour becomes.
  • Information such as radial, axial, tangential or circumferential direction always relate to a central axis around which the flow guide extends essentially with a symmetry.
  • this central axis is the axis of rotation of a rotor of a turbo machine or radial turbo machine.
  • the flow fluid emerges essentially radially from the upstream impeller and, after a generally relatively radial flow path, turns around 180 ° from a radially outward one Direction of flow in a radially inwardly directed flow direction diverted. Following this 180 ° bend, the flow fluid flows radially inward towards the axis of rotation of the turbomachine and is then deflected in the axial direction in order to get into the essentially axial inlet of the following impeller.
  • Both the axial installation space and the radial installation space are limited on the one hand by rotor dynamic requirements - in particular the endeavor that the length of the rotor between the radial bearings should not be unfavorably long - and on the other hand by the desire to reduce the costs for the housing of the radial turbo machine as a result too large a radial installation space requirement should not increase unnecessarily.
  • Rotating flow guides for example impellers of radial turbomachines, describe on the rotor of a radial turbomachine in cross section essentially an annular surface which is likewise segmented in sections in the circumferential direction by the rotor blades that extend in the impeller. This results in an almost rectangular cross-section of the flow channels in the impeller defined by the adjacent blades, a cover plate and the hub contour of the impeller.
  • This possible modularity can be found in the Figure 1 read in the axial longitudinal section through a radial turbomachine, the Figure 1 neither the modularity pretends to have a cross-sectional shape for the flow channels.
  • the invention has set itself the task of improving the aerodynamic efficiency of a flow guide without requiring additional radial or axial installation space. Furthermore, the invention has set itself the goal of specifying a manufacturing method for such a flow guide. In addition, the invention specifies the construction of a radial turbomachine with such a flow guide, in particular as a return stage.
  • the findings according to the invention can be used among the stationary components not only for return stages of radial turbomachines, but also for, for example, inflows to impellers or outflows from impellers without a further impeller being arranged upstream or downstream.
  • Another application of the flow guide according to the invention results in particular for diffusers, in particular for radial turbomachines.
  • the invention can also be used for rotating flow guides.
  • a flow guide of the type defined at the outset is proposed according to the invention with the additional features of the characterizing part of claim 1.
  • the respective back-referenced sub-claims contain advantageous developments of the invention.
  • a rotor or an impeller, a stator or a return stage each with such a flow guide and a radial turbo machine with at least one such return stage or flow guide are proposed.
  • a method for producing such a flow guide is proposed.
  • a flow fluid to be conveyed is generally the flow fluid that is conveyed by the corresponding turbo machine or radial turbo machine or that essentially serves as a drive or output for the operation of the turbo machine.
  • the flow fluid to be carried is the medium that mainly either emits or absorbs significant technical work.
  • the term “in an operation” is understood by the invention to mean the state of operation of the corresponding machine or turbo-machine, during which, for example, the rotor of the machine rotates and technical work is transferred to or away from the flow fluid.
  • the invention does not necessarily understand a parallel flow as the geometrically parallel flow through the various flow channels through a flow fluid, but preferably the division of the flow fluid into several partial flows that flow through the respective flow channels of the flow guide according to the invention next to one another, whereby they usually have a common one before the division Main stream formed and are preferably combined again downstream to form a common main stream according to the flow guidance according to the invention.
  • the invention understands a spatial flow line to be essentially a three-dimensional line-like course which is characteristic of the spatial shape of a flow channel of the flow guide.
  • the flow line essentially describes the path of the averaged movement of the flow fluid through a flow channel of the flow guide.
  • the spatial flow line can also be referred to as a line of the main flow direction of the flow fluid.
  • the respective flow channel is defined by channel cross-sections at each individual point of the flow line.
  • the channel cross-sections are limited to the outside by a channel cross-sectional contour, which at the same time represents the objective boundary of the flow channel.
  • the flow channels are essentially hose-like cavities in the surrounding material that constitutes the flow guide.
  • the invention understands a pie-like segmentation to mean an imaginary division of a channel cross-section into any (preferably but not necessarily the same) pieces with regard to the circumferential angle, the radial rays defining the individual pieces preferably running from the point of intersection of the flow line through the respective channel cross-section.
  • This segmentation selected by the definition of the independent claim is part of a criterion for describing the difference in the flow channel cross-sections between a conventional, essentially almost rectangular shape and flow channel cross-sections according to the invention in a less rectangular shape.
  • the invention understands the inner angle of the two tangents on the channel cross-sectional contour to be the angle which, through its opening, faces the opening of the circumferential angle of the channel cross-sectional segment of the imaginary segmentation.
  • the respective flow channel is formed at least in sections in such a way that an imaginary pie-like circumferential segmentation starting from a center point of the channel cross-section form circumferential segments with a circumferential angle ⁇ between two adjacent segmenting radial rays, with tangents on the channel cross-sectional contour at the points of intersection of the Radial rays form an interior angle ⁇ with the channel cross-sectional contour, the following applies to every conceivable circumferential segmentation for each circumferential segment: 1/10 *
  • the angular width of the inner angle of the two tangents on the channel cross-sectional contour faces the angular width of the circumferential angle.
  • the two radial rays and the tangents accordingly form a quadrilateral, with both both the circumferential angle ⁇ and the interior angle ⁇ are interior angles of the quadrangle.
  • the flow guide according to the invention based on the criterion 1/10
  • ⁇ relates to an idealized form of flow guidance and does not take into account any actual surface properties, for example.
  • the criterion is preferably to be understood as referring to the draft or a virtual model of the actual flow guidance.
  • the flow guide is designed in such a way that the channel cross section of a flow channel has a cross-sectional shape that varies at least in sections along the flow line.
  • This design enables an aerodynamically optimal adaptation to the operating conditions in such a way that the best possible fluidic efficiency is achieved.
  • the variation of the cross-sectional shape can relate both to the size of the cross-section and to the type of shape.
  • the cross-sectional delimitation contour it can be designed as a circular radius, elliptical, angular or in the manner of a free-form line.
  • the cross-sectional contour is not angular.
  • a flow guide which is designed as a stator. These include, for example, return stages of radial turbomachines, inflow areas to impellers or outflow areas or diffusers downstream of impellers.
  • Another possibility for implementing the invention results from a flow guide which is designed as a rotor, in particular as an impeller of a radial turbo-machine.
  • the flow guide according to the invention is particularly expediently part of a radial turbo-machine. It makes sense here if the flow guide is either part of the Radial turbomachine is upstream and / or downstream of an impeller.
  • the flow guide according to the invention can be manufactured particularly expediently by means of so-called additive manufacturing processes.
  • a virtual model of the flow guidance is generated.
  • the flow guidance is produced using the additive manufacturing process.
  • the flow guide according to the invention can also be produced by means of a casting process.
  • the model for the casting process can particularly preferably be generated by means of an additive manufacturing process. For this purpose, the steps of the manufacturing method already explained above for manufacturing the flow guide would be applied mutatis mutandis to the manufacture of the model for the casting of the flow guide.
  • Figure 1 shows an axial longitudinal section through a radial turbomachine RTM with a flow guide FLG according to the invention.
  • the axis X of the longitudinal section is at the same time the axis of rotation of impellers IMP, which are attached to a shaft SHS of the radial turbo machine RTM.
  • the impellers IMP comprise a hub HUB, blades BLD and a cover plate SHR.
  • the radial turbo-machine RTM comprises a rotor RTR with the shaft SHS and the impellers IMP and a stator STT comprising the other components.
  • a flow fluid FLD first flows through an inflow INL of the stator STT, then an impeller IMP or flow channels FLC of the impeller IMP, downstream of the impeller a feedback stage RST of the stator STT and further downstream another impeller IMP and then an outflow EXT comprising a diffuser DFS and a subsequent spiral VLT, which serves as a collector for an exit from the stator STT in a manner not shown.
  • the stator STT is sealed at various points in the areas of a movement gap by means of a shaft seal SSL.
  • the return stage RST comprises a radially outwardly directed diffuser section RDF, a 180 deflector UTN and a radially inwardly directed return section BCH as well as a deflector TRN in the axial direction to the entry into the downstream impeller IMP.
  • the impellers IMP and the return stage RST are shown in a particularly simplified manner.
  • the IMP wheels are shown here as a classic, idealized modular structure.
  • a hub HUB which is also often referred to as a wheel disk, blades BLD and a cover disk SHR, which is held on the hub HUB by the blades BLD.
  • this modularity is at least not given with regard to a difference in the components of the impeller IMP.
  • the impeller IMP is particularly preferred - as in Figure 4 shown - according to the invention in one piece, for example as a cast component or as a component that has been produced by means of an additive manufacturing process.
  • the flow channel FLC defined by the components hub HUB, blade BLD and cover disk SHR extends through the impeller IMP more like a hose-like cavity with at least some sections of varying cross-sectional shape, varying cross-sectional circumference and varying cross-sectional area.
  • the feedback stage RST in the stator STT is designed in the same way.
  • the flow channel FLC of the return stage RST extends along the individual flow sections RDF, UTN, BCH, TRN with at least sectionally varying cross-sectional shape, cross-sectional circumference, cross-sectional area content like a cave through the stator STT like a hose.
  • Figure 2 shows an essentially axial perspective of a radial turbo compressor with the flow channel of an impeller IMP and several flow channels FLC of a return stage RST.
  • the Figure 3 shows the feedback stage RST from the Figure 2 from the essentially opposite axial perspective with a downstream impeller IMP.
  • the focus of the representations in the Figures 2 , 3 is the shape of the flow channels FLC of the flow guide FLG of the return stage RST.
  • the individual sections RDF, UTN, BCH, TRN each have an individual shape with regard to the cross-sectional shape, the cross-sectional circumference and the cross-sectional area.
  • the cross-sectional shape is more rectangular than in the middle part of the return stage RST, the cross-sectional shape becoming more rectangular again at the exit of the return stage RST.
  • the more rectangular contour of the cross-sectional shape at the entrance and exit of the flow the return stage RST avoids a blockage or dead water areas when entering or leaving the return stage RST.
  • the Figure 4 shows the same aspects implemented on an IMP impeller.
  • the respective flow channel FLC is formed at least in sections in such a way that an imaginary pie-like segmentation starting from a communication point of the channel cross-section CCS forms pieces with a circumferential angle ⁇ between two adjacent segmenting radial rays RR1, RR2, with tangents T1, T2 on the Channel cross-sectional contour CCC form an interior angle ⁇ in the intersection points SC1, SC2 of the radial rays RR1, RR2 with the channel cross-sectional contour CCC, where: 1/10 *
  • Figure 5 shows a somewhat more rectangular cross-sectional shape of the channel cross-section CCS with a cross-sectional contour CCC.
  • the pie-like segments can be arranged as small as desired and displaced as desired in the circumferential direction.
  • the decisive factor for the channel cross-sectional contour CCC according to the invention is a non-angular design of the channel cross-section CCS, at least in sections. After an angular design of the channel cross-section CCS, an arbitrarily small angle ⁇ would be an angle
  • a convex design of the channel cross-sectional contour CCC is preferred. Another possibility is to design the channel cross-sectional contour CCC with convex circumferential pieces KXC and concave circumferential pieces KVC, as in FIG Figure 6 represents. In this way, the flow guidance can also be adapted to special aerodynamic requirements.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strömungsführung (FLG) einer Radialturbomaschine (RTM), wobei die Strömungsführung (FLG) mehrere Strömungskanäle (FLC) nebeneinander aufweist, die parallel von einem zu führenden Strömungsfluid (FLD) in einem Betrieb durchströmt werden, wobei die Strömungskanäle (FLC) jeweils entlang einer räumlichen Durchströmungslinie (FLN) für jeden Linienpunkt (LPO) einen bestimmten Kanalquerschnitt (CCS) aufweisen, der von einer Kanalquerschnittskontur (CCC) begrenzt wird. Zur Verbesserung der aerodynamischen Effizienz schlägt die Erfindung vor, dass der jeweilige Strömungskanal (FLC) zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass eine gedachte, von einem Mittelpunkt (CPO) des Kanalquerschnitts (CCS) ausgehende tortenstückartige Segmentierung Stücke mit einem Umfangswinkel (α) zwischen zwei benachbarten segmentierenden Radialstrahlen (RR1, RR2) ausbilden, wobei Tangenten (Tl, T2) an der Kanalquerschnittskontur (CCC) in den Schnittpunkten (SC1, SC2) der Radialstrahlen (RR1, RR2) mit der Kanalquerschnittskontur (CCC) einen Innenwinkel (β) ausbilden, wobei gilt: 1/10*180°−β<α.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsführung einer Radialturbomaschine, wobei die Strömungsführung mehrere Strömungskanäle nebeneinander aufweist, die parallel von einem zu führenden Strömungsfluid in einem Betrieb durchströmt werden, wobei die Strömungskanäle jeweils entlang einer räumlichen Durchströmungslinie für jeden Linienpunkt einen bestimmten Kanalquerschnitt aufweisen, der von einer Kanalquerschnittskontur begrenzt wird.
  • Angaben, wie radial, axial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich stets auf eine zentrale Achse, um welche sich die Strömungsführung im Wesentlichen mit einem Symmetriebezug erstreckt. In der Regel handelt es sich bei dieser zentralen Achse um die Drehachse eines Rotors einer Turbomaschine bzw. Radialturbomaschine.
  • Insbesondere in Radialturbomaschinen besteht das Erfordernis, eine Strömungsführung vorzusehen, die das jeweilige Strömungsfluid im Betrieb der Maschine entweder aus dem Austritt eines Laufrades übernimmt und einem nachfolgenden Strömungsaggregat zuführt oder das Strömungsfluid einem stromabwärtigen Laufrad zuführt. Ein häufiger Fall einer solchen Strömungsführung in der Ausführung als statisches Bauteil einer Turbomaschine ist gegeben durch eine sogenannte Rückführstufe, bei der das Strömungsfluid aus einem Laufrad austritt und dem stromabwärts gelegenen Laufrad zugeführt wird. Handelt es sich um einen Radialverdichter, der auch häufig als Kreiselverdichter oder Zentrifugalverdichter beschrieben wird, tritt das Strömungsfluid im Wesentlichen radial aus dem stromaufwärts gelegenen Laufrad aus und wird nach einer in der Regel verhältnismäßig radial verlaufenden Strömungsstrecke um etwa 180° aus einer radial nach außen gerichteten Strömungsrichtung in eine radial nach innen gerichtete Strömungsrichtung umgelenkt. Im Anschluss an diesen 180°-Bogen strömt das Strömungsfluid nach radial innen auf die Rotationsachse der Turbomaschine zu und wird anschließend in Axialrichtung umgelenkt, um in den im Wesentlichen axialen Eintritt des nachfolgenden Laufrads zu gelangen. Herkömmliche Strömungsführungen dieser Art - also Rückführstufen - beschreiben in dem Stator einer derartigen Radialturbomaschine eine im Wesentlichen im Querschnitt durchgehende Kreisringfläche oder eine zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung segmentierte bzw. durch Leitschaufeln unterbrochene Kreisringfläche. Sowohl die unbeschaufelte Strömungsführung bzw. Rückführstufe als auch die beschaufelte Strömungsführung sind herkömmlich gestaltet als ein Kompromiss aus Platzangebot und Fertigungsmöglichkeiten sowie aerodynamischer Effizienz. Sowohl der axiale Bauraum als auch der radiale Bauraum sind begrenzt einerseits durch rotordynamische Anforderungen - insbesondere das Bestreben, dass die Länge des Rotors zwischen den Radiallagern nicht ungünstig lang sein sollte - und andererseits durch den Wunsch, dass die Kosten für das Gehäuse der Radialturbomaschine in Folge eines zu großen radialen Bauraumbedarfs nicht unnötig ansteigen sollen.
  • Aus dem Stand der Technik sind Rückführstufen bereits aus den Patentanmeldungen WO2018166716-A1 , WO2017194272-A1 , WO2016079222-A1 bekannt.
  • Rotierende Strömungsführungen, beispielsweise Laufräder von Radialturbomaschinen, beschreiben an dem Rotor einer Radialturbomaschine im Querschnitt im Wesentlichen eine Kreisringfläche, die gleichfalls abschnittsweise in Umfangsrichtung segmentiert ist von den Laufschaufeln, die sich im Laufrad erstrecken. Dadurch ergibt sich ein fast rechteckiger Querschnitt der Strömungskanäle in dem Laufrad definiert durch die angrenzenden Laufschaufeln, eine Deckplatte und die Nabenkontur des Laufrades. Diese mögliche Modularität lässt sich in der Figur 1 im axialen Längsschnitt durch eine Radialturbomaschine ablesen, wobei die Figur 1 weder die Modularität vorgibt, noch eine Querschnittsform für die Strömungskanäle.
  • Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die aerodynamische Effizienz einer Strömungsführung zu verbessern ohne zusätzlichen radialen oder axialen Bauraumbedarf. Weiterhin hat es sich die Erfindung zum Ziel gemacht, ein Fertigungsverfahren für eine derartige Strömungsführung anzugeben. Daneben gibt die Erfindung die Bauweise einer Radialturbomaschine mit einer derartigen Strömungsführung insbesondere als Rückführstufe an.
  • Die erfindungsgemäßen Erkenntnisse sind unter den stehenden Bauteilen nicht nur für Rückführstufen von Radialturbomaschinen anwendbar, sondern auch für beispielsweise Zuströmungen zu Laufrädern oder Abströmungen aus Laufrädern ohne, dass stromaufwärts bzw. stromabwärts ein weiteres Laufrad angeordnet ist. Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Strömungsführung ergibt sich insbesondere für Diffusoren, insbesondere für Radialturbomaschinen. Die Erfindung ist auch für rotierende Strömungsführungen anwenddbar.
  • Als Lösung für die Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß eine Strömungsführung eingangs definierter Art vorgeschlagen mit den zusätzlichen Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Es werden außerdem ein Rotor bzw. ein Laufrad, ein Stator bzw. eine Rückführstufe jeweils mit einer derartigen Strömungsführung und eine Radialturbomaschine mit mindestens einer derartigen Rückführstufe bzw. Strömungsführung vorgeschlagen. Daneben wird ein Verfahren zur Fertigung einer derartigen Strömungsführung vorgeschlagen.
  • Ein zu führendes Strömungsfluid ist in der Regel das Strömungsfluid, das von der entsprechenden Turbomaschine bzw. Radialturbomaschine befördert wird oder das dem Betrieb der Turbomaschine im Wesentlichen als Antrieb oder Abtrieb dient. Das zu führende Strömungsfluid ist hierbei das Medium, das hauptsächlich entweder signifikant technische Arbeit abgibt oder aufnimmt.
  • Unter dem Begriff "in einem Betrieb" versteht die Erfindung den Zustand des Betriebs der entsprechenden Maschine bzw. Turbomaschine, währenddessen sich beispielsweise der Rotor der Maschine dreht und eine Übertragung von technischer Arbeit auf das Strömungsfluid oder von dem Strömungsfluid fort erfolgt.
  • Unter einer parallelen Durchströmung versteht die Erfindung nicht zwingend die geometrisch parallele Durchströmung der verschiedenen Strömungskanäle durch ein Strömungsfluid, sondern bevorzugt die Aufteilung des Strömungsfluides in mehrere Teilströme, die die jeweiligen Strömungskanäle der erfindungsgemäßen Strömungsführung nebeneinander durchströmen, wobei sie in der Regel vor der Teilung einen gemeinsamen Hauptstrom bildeten und bevorzugt nach der erfindungsgemäßen Strömungsführung stromabwärts wieder zu einem gemeinsamen Hauptstrom vereinigt werden.
  • Unter einer räumlichen Durchströmungslinie versteht die Erfindung im Wesentlichen einen dreidimensionalen linienartigen Verlauf, der kennzeichnend ist für die räumliche Form eines Strömungskanals der Strömungsführung. Die Durchströmungslinie beschreibt im Wesentlichen den Weg der gemittelten Bewegung des Strömungsfluids durch einen Strömungskanal der Strömungsführung. Insofern kann die räumliche Durchströmungslinie auch als eine Linie der Hauptströmungsrichtung des Strömungsfluids bezeichnet werden.
  • Entlang der gedachten räumlichen Durchströmungslinie ist der jeweilige Strömungskanal definiert durch Kanalquerschnitte an jedem einzelnen Punkt der Durchströmungslinie. Die Kanalquerschnitte werden durch eine Kanalquerschnittskontur nach außen hin begrenzt, die gleichzeitig die gegenständliche Grenze des Strömungskanals darstellt. Die Strömungskanäle sind im Wesentlichen schlauchartige Höhlen in dem umgebenden Material, das die Strömungsführung darstellt.
  • Unter einer tortenstückartigen Segmentierung versteht die Erfindung eine gedachte Zerteilung eines Kanalquerschnitts in hinsichtlich des Umfangswinkels beliebige (bevorzugt aber nicht zwingend gleiche) Stücke, wobei die die einzelnen Stücke voneinander definierenden Radialstrahlen bevorzugt ausgehend von dem Durchstoßpunkt der Durchströmungslinie durch den jeweiligen Kanalquerschnitt verlaufen. Diese von der Definition des unabhängigen Anspruchs gewählte Segmentierung ist Teil eines Kriteriums, um den Unterschied der Strömungskanalquerschnitte zwischen einer herkömmlichen im Wesentlichen nahezu rechteckigen Form und erfindungsgemäßen Strömungskanalquerschnitten in eine weniger rechteckige Form zu beschreiben.
  • Unter dem Innenwinkel der beiden Tangenten an der Kanalquerschnittskontur versteht die Erfindung den Winkel, der durch seine Öffnung der Öffnung des Umfangswinkels des Kanalquerschnittsegments der gedachten Segmentierung zugewendet ist.
  • Das von der Erfindung eingeführte Kriterium, dass der jeweilige Strömungskanal zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass eine gedachte, von einem Mittelpunkt des Kanalquerschnitts ausgehende tortenstückartige Umfangssegmentierung Umfangssegment mit einem Umfangswinkel α zwischen zwei benachbarten segmentierenden Radialstrahlen ausbilden, wobei Tangenten an der Kanalquerschnittskontur in den Schnittpunkten der Radialstrahlen mit der Kanalquerschnittskontur einen Innenwinkel β ausbilden, wobei für jede denkbare Umfangssegmentierung für jedes Umfangssegment gilt: 1/10*|180°-β| < α, ist ein Maß für die "Nicht-Eckigkeit" der Kanalquerschnittsform.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der Winkelbezeichnung sei festgestellt, dass die Winkelweite des Innenwinkels der beiden Tangenten an der Kanalquerschnittskontur der Winkelweite des Umfangswinkels zugewendet ist. Die beiden Radialstrahlen und die Tangenten bilden dementsprechend ein Viereck, wobei sowohl der Umfangswinkel α als auch der Innenwinkel β Innenwinkel des Vierecks sind.
  • Während herkömmliche Strömungskanäle auch bedingt durch klassische Entwurfs- und Fertigungsverfahren verhältnismäßig eckig ausgebildet sind, weist die Strömungsführung nach der Erfindung aufgrund des Kriteriums 1/10 |180°-β| < α in bestimmten charakteristischen Abschnitten der Durchströmungslinie keine im Sinne der Erfindung strömungstechnisch ungünstige, stark eckige Umfangskonturen auf. Gemäß einer Weiterbildung ist es besonders bevorzugt, dass gilt: 1/5 |180°-β| < α und weiterhin bevorzugt 1/3 |180°-β| < α. Das erfindungsgemäße Kriterium 1/10 |180°-β| < α bezieht sich auf eine idealisierte Form der Strömungsführung und berücksichtigt beispielsweise keine tatsächlichen Oberflächenbeschaffenheiten. Bevorzugt ist das Kriterium als auf den Entwurf oder ein virtuelles Modell des tatsächlichen Strömungsführung zu verstehen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Strömungsführung derart ausgebildet ist, dass der Kanalquerschnitt eines Strömungskanals eine entlang der Durchströmungslinie zumindest abschnittsweise variierende Querschnittsform aufweist. Diese Gestaltung ermöglicht eine aerodynamisch optimale Anpassung an die Betriebsbedingungen, derart, dass eine bestmögliche strömungstechnische Effizienz erzielt wird. Die Variation der Querschnittsform kann sich sowohl auf die Größe des Querschnitts beziehen als auch auf den Formtyp. Entlang der Querschnittsbegrenzungskontur kann diese als Kreisradius, elliptisch, eckig oder in der Art einer Freiformlinie ausgebildet sein. In den erfindungsgemäßen Bereichen, in denen für alle denkbaren Umfangssegmente der Innenwinkel β derart ausgebildet ist, dass im Verhältnis zu dem Umfangswinkel α gilt: 1/10*|180°-β| < α, ist ein eckiger Verlauf der Querschnittskontur nicht gegeben. Bei einer runden Querschnittskontur würde für alle denkbaren Umfangssegmente gelten |180°-β| = α; zunehmende Abweichungen von der Rundheit ist vorliegend als zunehmende "Eckigkeit" bezeichnet. Eine Gestaltungsmöglichkeit des entlang der Durchströmungslinie variierenden Strömungskanals ist gegeben durch eine zumindest abschnittsweise Variation des Querschnittsumfangs. Gleichfalls kann die Querschnittsfläche abschnittsweise entlang der Durchströmungslinie variieren. Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung ist gegeben durch eine Strömungsführung, die als Stator ausgebildet ist. Hierzu zählen beispielsweise Rückführstufen von Radialturbomaschinen, Zuströmbereiche zu Laufrädern oder Abströmbereiche bzw. Diffusoren stromabwärts von Laufrädern.
  • Eine andere Möglichkeit der Umsetzung der Erfindung ergibt sich durch eine Strömungsführung, die als Rotor, insbesondere als Laufrad einer Radialturbomaschine ausgebildet ist.
  • Sowohl in der Ausbildung als Stator als auch bei der Ausführung als Rotor ist es zweckmäßig, wenn bestimmte Abschnitte entlang der Durchströmungslinie rechteckiger ausgebildet sind als andere. Hierzu zählen besonders die Abschnitte eingangs und/oder ausgangs der Strömungsführung. Beispielsweise bei Ausbildung der Strömungsführung als Stator, insbesondere als Rückführstufe, ist es zweckmäßig, wenn eingangs der Strömungsführung ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt gegeben ist, damit das aus dem Laufrad austretende Strömungsfluid möglichst widerstandsfrei - also bei geringstmöglicher Verblockung der Zuströmung in den nachfolgenden Stator - in die stehende Strömungsführung gemäß der Erfindung eintreten kann. Ähnliches gilt für den Austritt aus einer Rückführstufe bzw. einer erfindungsgemäßen Strömungsführung, weil beispielsweise bei dem Austritt aus der Rückführstufe bzw. dem Eintritt in das stromabwärts befindliche Laufrad sogenannte Totwasserbereiche durch abrupten Abbruch von Verblockungen zwischen einzelnen Strömungskanälen vermieden werden können.
  • Besonders zweckmäßig ist die erfindungsgemäße Strömungsführung Bestandteil einer Radialturbomaschine. Hierbei ist es sinnvoll, wenn die Strömungsführung entweder Bestandteil der Radialturbomaschine stromaufwärts und/oder stromabwärts eines Laufrades ist.
  • Besonders zweckmäßig lässt sich die erfindungsgemäße Strömungsführung fertigen mittels sogenannter additiver Fertigungsverfahren. Hierbei wird in einem ersten Schritt zunächst ein virtuelles Modell der Strömungsführung erzeugt. Auf Basis dieses virtuellen Modells findet die Herstellung der Strömungsführung mittels des additiven Fertigungsverfahrens statt. Alternativ kann die erfindungsgemäße Strömungsführung auch mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden. Das Modell für das Gussverfahren kann besonders bevorzugt mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erzeugt werden. Hierzu würden die Schritte des bereits vorab erläuterten Fertigungsverfahrens zur Herstellung der Strömungsführung mutatis mutandis auf die Fertigung des Modells für den Guss der Strömungsführung angewendet werden.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    einen schematisch dargestellten Querschnitt in axialer Längsrichtung durch einen Verdichter bzw. Radialverdichter mit einer Strömungsführung nach der Erfindung,
    Figur 2
    eine schematische dreidimensionale Darstellung einer Rückführstufe mit Strömungsführungen nach der Erfindung aus einer ersten Betrachtungsperspektive,
    Figur 3
    wie Figur 2 aus einer zweiten Betrachtungsperspektive,
    Figur 4
    eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Laufrades einer Radialturbomaschine mit Strömungsführungen nach der Erfindung,
    Figur 5
    eine schematische Darstellung einer Querschnittsform einer erfindungsgemäßen Strömungsführung,
    Figur 6
    wie Figur 5 darstellend eine andere Querschnittsform.
  • Figur 1 zeigt einen axialen Längsschnitt durch eine Radialturbomaschine RTM mit einer erfindungsgemäßen Strömungsführung FLG. Die Achse X des Längsschnitts ist gleichzeitig die Drehachse von Laufrädern IMP, die an einer Welle SHS der Radialturbomaschine RTM befestigt sind. Die Laufräder IMP umfassen eine Nabe HUB, Schaufeln BLD und eine Deckscheibe SHR. Grundsätzlich umfasst die Radialturbomaschine RTM einen Rotor RTR mit der Welle SHS und den Laufrädern IMP und einen Stator STT umfassend die anderen Bauelemente. In einem Betrieb der Radialturbomaschine RTM durchströmt ein Strömungsfluid FLD zunächst eine Zuströmung INL des Stators STT, dann ein Laufrad IMP bzw. Strömungskanäle FLC des Laufrads IMP, stromabwärts des Laufrads eine Rückführstufe RST des Stators STT und weiter stromabwärts ein weiteres Laufrad IMP sowie anschließend eine Abströmung EXT umfassend einen Diffusor DFS und eine anschließende Spirale VLT, die als Sammler für einen Austritt aus dem Stator STT in nicht dargestellter Weise dient. Gegenüber der Welle SHS des Rotors RTR ist der Stator STT an verschiedenen Stellen in den Bereichen eines Bewegungsspalts mittels einer Wellendichtung SSL abgedichtet. Die Rückführstufe RST umfasst einen radial nach außen gerichteten Diffusorabschnitt RDF, eine 180-Umlenkung UTN und einen nach radial innen gerichteten Rückführabschnitt BCH sowie eine Umlenkung TRN in die Axialrichtung zum Eintritt in das stromabwärts befindliche Laufrad IMP. Während die gesamte Darstellung der Figur 1 schematisch ist, sind die Laufräder IMP und die Rückführstufe RST besonders vereinfacht dargestellt. Die Laufräder IMP sind hier klassisch als modular aufgebaut idealisiert wiedergegeben. Es gibt eine Nabe HUB, die auch häufig als Radscheibe bezeichnet wird, Schaufeln BLD und eine Deckscheibe SHR, die von den Schaufeln BLD an der Nabe HUB gehalten wird. Diese Modularität ist nach der Erfindung zumindest nicht hinsichtlich einer Unterschiedlichkeit der Bauteile des Laufrades IMP gegeben. Besonders bevorzugt ist das Laufrad IMP - wie auch in Figur 4 dargestellt - nach der Erfindung einstückig ausgebildet, beispielsweise als Gussbauteil oder als Bauteil, das mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erzeugt worden ist. Der durch die Bauteile Nabe HUB, Schaufel BLD und Deckscheibe SHR jeweils definierte Strömungskanal FLC erstreckt sich durch das Laufrad IMP eher wie eine schlauchartige Höhle mit zumindest Abschnittsweise variierender Querschnittsform, variierendem Querschnittsumfang und variierendem Querschnittsflächeninhalt. In gleicher Weise ist die Rückführstufe RST in dem Stator STT gestaltet. Entlang der einzelnen Strömungsabschnitte RDF, UTN, BCH, TRN erstreckt sich der Strömungskanal FLC der Rückführstufe RST mit zumindest abschnittsweise variierender Querschnittsform, Querschnittsumfang, Querschnittsflächeninhalt wie eine Höhle schlauchartig durch den Stator STT.
  • Die Möglichkeiten der Formgebung der Strömungsführung FLG zeigen sich dreidimensional in den Figuren 2, 3 für eine Rückführstufe RST und in der Figur 4 für ein Laufrad IMP.
  • Figur 2 zeigt eine im Wesentlichen axiale Perspektive eines Radialturboverdichters mit dem Strömungskanal eines Laufrads IMP und mehreren Strömungskanälen FLC einer Rückführstufe RST.
  • Die Figur 3 zeigt die Rückführstufe RST aus der Figur 2 aus der im Wesentlichen entgegengesetzten Axialperspektive mit einem stromabwärts befindlichen Laufrad IMP.
  • Im Mittelpunkt der Darstellungen in den Figuren 2, 3 steht die Formgebung der Strömungskanäle FLC der Strömungsführung FLG der Rückführstufe RST. Die einzelnen Abschnitte RDF, UTN, BCH, TRN weisen jeweils eine individuelle Form hinsichtlich der Querschnittsform, des Querschnittsumfangs und der Querschnittsfläche auf. Eingangs der Rückführstufe RST ist die Querschnittsform rechteckiger als im Mittelteil der Rückführstufe RST, wobei ausgangs der Rückführstufe RST die Querschnittsform wieder rechteckiger wird. Die rechteckigere Kontur der Querschnittsform eingangs und ausgangs der Durchströmung der Rückführstufe RST vermeidet eine Verblockung bzw. Totwassergebiete beim Eintritt bzw. beim Austritt aus der Rückführstufe RST.
  • Die Figur 4 zeigt die gleichen Aspekte umgesetzt an einem Laufrad IMP.
  • Das erfindungsgemäße Kriterium, dass der jeweilige Strömungskanal FLC zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass eine gedachte, von einem Mitteilpunkt des Kanalquerschnitts CCS ausgehende tortenstückartige Segmentierung Stücke mit einem Umfangswinkel α zwischen zwei benachbarten segmentierenden Radialstrahlen RR1, RR2 ausbilden, wobei Tangenten T1, T2 an der Kanalquerschnittskontur CCC in den Schnittpunkten SC1, SC2 der Radialstrahlen RR1, RR2 mit der Kanalquerschnittskontur CCC einen Innenwinkel β ausbilden, wobei gilt: 1/10*|180°-β| < α, ist in den Figuren 5, 6 dargestellt.
  • Figur 5 zeigt eine etwas rechteckigere Querschnittsform des Kanalquerschnitts CCS mit einer Querschnittskontur CCC. Die tortenstückartigen Segmente können im Sinne der Erfindung beliebig klein und beliebig in Umfangsrichtung verschoben angeordnet sind. Entscheidend für die erfindungsgemäße Kanalquerschnittskontur CCC ist eine zumindest abschnittsweise nicht eckige Ausbildung des Kanalquerschnitts CCS. Nach einer eckigen Ausbildung des Kanalquerschnitts CCS würde im Bereich einer Ecke der Kanalquerschnittskontur CCC ein beliebig kleiner Winkel α einen Winkel |180°-β| von 90°C ergeben, so dass das erfindungsgemäße Kriterium des Verhältnisses von Innenwinkel β zu Umfangswinkel α nicht erfüllt ist.
  • Bevorzugt ist eine konvexe Ausbildung der Kanalquerschnittskontur CCC. Eine andere Möglichkeit liegt in einer Ausbildung der Kanalquerschnittskontur CCC mit konvexen Umfangstücken KXC und konkaven Umfangsstücken KVC, wie in Figur 6 darstellt. Auf diese Weise kann die Strömungsführung auch an besondere aerodynamische Erfordernisse angepasst werden.

Claims (12)

  1. Strömungsführung (FLG) einer Radialturbomaschine (RTM), wobei die Strömungsführung (FLG) mehrere Strömungskanäle (FLC) nebeneinander aufweist, die parallel von einem zu führenden Strömungsfluid (FLD) in einem Betrieb durchströmt werden,
    wobei die Strömungskanäle (FLC) jeweils entlang einer räumlichen Durchströmungslinie (FLN) für jeden Linienpunkt (LPO) einen bestimmten Kanalquerschnitt (CCS) aufweisen,
    der von einer Kanalquerschnittskontur (CCC) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    der jeweilige Strömungskanal (FLC) zumindest abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass eine gedachte, von einem Mittelpunkt des Kanalquerschnitts (CCS) ausgehende tortenstückartige Umfangssegmentierung Umfangssegment mit einem Umfangswinkel (α) zwischen zwei benachbarten segmentierenden Radialstrahlen (RR1, RR2) ausbilden, wobei Tangenten (T1, T2) an der Kanalquerschnittskontur (CCC) in den Schnittpunkten (SC1, SC2) der Radialstrahlen (RR1, RR2) mit der Kanalquerschnittskontur (CCC) einen Innenwinkel (β) ausbilden, wobei für jede denkbare Umfangssegmentierung für jedes Umfangssegment gilt: 1 / 10 * 180 ° − β < α .
    Figure imgb0001
  2. Strömungsführung (FLG) nach Anspruch 1, wobei der Kanalquerschnitt (CCS) eines Strömungskanals (FLC) eine entlang der Durchströmungslinie (FLN) zumindest abschnittsweise variierende Querschnittsform (CSP) aufweist.
  3. Strömungsführung (FLG) nach Anspruch 1, wobei der Kanalquerschnitt (CCS) eines Strömungskanals (FLC) einen entlang der Durchströmungslinie (FLN) zumindest abschnittsweise variierenden Querschnittsumfang (CSC) aufweist.
  4. Strömungsführung (FLG) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Kanalquerschnitt (CCS) eines Strömungskanals (FLC) eine entlang der Durchströmungslinie (FLN) variierende Querschnittsfläche (CSS) aufweist.
  5. Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Strömungsführung (FLG) als Stator (STT) ausgebildet ist.
  6. Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strömungsführung (FLG) als Rückführstufe einer Radialturbomaschine (RTM) ausgebildet ist.
  7. Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Strömungsführung (FLG) als Rotor (RTR), insbesondere Laufrad (IMP) ausgebildet ist.
  8. Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strömungsführung (FLG) eingangs und/oder ausgangs eine eckigere Querschnittsform (CSC) aufweist als in einem benachbarten Abschnitt oder einem Abschnitt dazwischen.
  9. Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei für jede denkbare Umfangssegmentierung für jedes Umfangssegment gilt: α < 10 180 ° − β .
    Figure imgb0002
  10. Radialturbomaschine (RTM) mit einer Strömungsführung (FLG) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Radialturbomaschine (RTM) mit einer Strömungsführung (FLG) nach Anspruch 10 angeordnet stromaufwärts und/oder stromabwärts eines Laufrads (IMP) der Radialturbomaschine (RTM).
  12. Verfahren zur Herstellung einer Strömungsführung (FLG) nach einem der Ansprüche 1 - 9, mit den folgenden Schritten:
    a) Erzeugung eines virtuellen Modells der Strömungsführung (FLG) mit einer Ausbildung der Strömungskanäle (FLC) nach zumindest Anspruch 1,
    b) Herstellung der Strömungsführung (FLG) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (AMM) gemäß dem virtuellen Modell.
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