EP4015829A1 - Radialturbomaschine, insbesondere verdichter - Google Patents

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EP4015829A1
EP4015829A1 EP20215308.6A EP20215308A EP4015829A1 EP 4015829 A1 EP4015829 A1 EP 4015829A1 EP 20215308 A EP20215308 A EP 20215308A EP 4015829 A1 EP4015829 A1 EP 4015829A1
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EP
European Patent Office
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area
compressor
flow
flow fluid
compression
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20215308.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg Paul HARTMANN
Werner Jonen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority to EP20215308.6A priority Critical patent/EP4015829A1/de
Publication of EP4015829A1 publication Critical patent/EP4015829A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/02—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps having non-centrifugal stages, e.g. centripetal
    • F04D17/025—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps having non-centrifugal stages, e.g. centripetal comprising axial flow and radial flow stages
    • 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
    • F04D17/02—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps having non-centrifugal stages, e.g. centripetal
    • 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
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F04D29/286—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors multi-stage rotors
    • 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
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/4226—Fan casings
    • F04D29/4253—Fan casings with axial entry and discharge

Definitions

  • the invention relates to a compressor comprising a rotor mounted so as to be rotatable about an axis of rotation, a stator arranged around the rotor, with a flow channel being formed between the stator and the rotor, with a flow fluid inlet which is formed for the essentially axial flow of a flow fluid into the flow channel , further comprising a first compression area for compressing the flow fluid, the first compression area having rotor blades, wherein in the first compression area a flow deflection of the flow fluid takes place from the essentially axial direction into an essentially radial direction, the radial direction and the axial direction being one relate to the axis of rotation, further comprising a deflection area for deflecting the flow fluid flowing out of the first compression area, the deflection area having guide vanes.
  • Compressors are machines that apply mechanical work to an enclosed gas, compressors being used to compress gases. This increases the pressure and density of the gas. Another term for compressor is compressor.
  • Compressors can be designed, inter alia, as so-called geared compressors or centrifugal compressors. Further embodiments of compressors are also known. For example, axial compressors are known.
  • turbomachines are also generally known, which can also be designed as radial turbomachines.
  • Centrifugal turbomachines are known as either centrifugal turbocompressors or centrifugal turboexpanders. Unless otherwise stated, the following explanations refer to the compressor version.
  • the invention can be used for expanders or turbines in the same way as for compressors, with a radial turboexpander being opposite a radial turbo compressor essentially provides a reverse flow direction of the flow fluid.
  • the global market environment demands turbo machines with low investment costs. To reduce costs, it is particularly effective to make the machines more compact. It is particularly important to reduce the required radial or axial space. This measure is usually accompanied by a deterioration in efficiency.
  • centrifugal compressor stage The task of a centrifugal compressor stage is generally to supply energy to the flow fluid with the highest possible efficiency and to convert this into pressure.
  • stages consisting of impeller and stator components are necessary to achieve the desired increase in pressure. It is obvious that a turbomachine can be built more cheaply the fewer stages are used for the desired pressure increase. Therefore, the power density per stage should be maximized at acceptable efficiencies. This could be done, for example, by increasing the speed or peripheral speed.
  • the invention has set itself the task of improving the compactness without impairing the aerodynamics disproportionately.
  • a compressor comprising a rotor mounted rotatably about an axis of rotation, a stator arranged around the rotor, a flow channel being formed between the stator and the rotor, with a flow fluid inlet for the essentially axial flow of a flow fluid into the flow channel educated further comprising a first compression area for compressing the flow fluid, the first compression area having rotor blades, wherein in the first compression area a flow deflection of the flow fluid takes place from the essentially axial direction into an essentially radial direction, the radial direction and the axial direction being the same relate to the axis of rotation, further comprising a deflection area for deflecting the flow fluid flowing out of the first compression area, wherein the deflection area has guide vanes, further comprising a second compression area for further compressing the flow fluid flowing out of the deflection area, further comprising an outflow area, wherein the flow fluid from the second compression area flows into the outflow area.
  • this axis is also the axis of rotation of a rotor or the shaft with the impellers.
  • the flow guide deflects the process fluid in an arc, so that when referring to the deflection, the term "radial” does not refer to the central axis, but to the bend or curvature of the deflection itself.
  • a process fluid to be conducted is generally the flow fluid that is conveyed by the corresponding turbomachine or radial turbomachine or that essentially serves as a drive or output for the operation of the turbomachine.
  • the process fluid to be conducted is the medium that mainly either gives off or absorbs significant technical work.
  • the invention understands the term “in an operation” to mean the state of operation of the corresponding machine or turbomachine, during which, for example, the rotor of the machine rotates and a transmission of technical work onto the flow fluid or away from the flow fluid.
  • the invention understands a moving blade to mean rotating blading.
  • Such rotating blading can be designed as an impeller that is shrunk onto a shaft, for example.
  • the running stage it is possible for the running stage to consist of individual blades which are either attached to a shaft of a rotor or are even formed in one piece with the rotor or the shaft.
  • a guide vane means static blading.
  • Such static blading can be designed as a ring of guide vanes, which is attached, for example, to the interior of a housing.
  • the invention proposes to carry out a double compression instead of a single compression.
  • a stage concept is proposed here with which it is possible to significantly increase the energy density per stage.
  • the energy supplied can be increased overall at constant speeds.
  • a known overhanging geared compressor stage could be replaced by a combination radial and axial stage on a pinion shaft end along with a very compact volute.
  • the radial stage is designed in such a way that the radial impeller does not flow radially but axially and flows directly to the guide wheel of the first axial stage without the typical radial diffuser.
  • the axial stage is designed in such a way that the guide wheel has pure deflection blading and applies a high counter-rotation to the subsequent rotor blading.
  • the compressor can be used for gas applications with smaller molecular weights such as hydrogen gas, natural gas or the like.
  • the rotor blading can be designed on the outlet side in such a way that a certain residual swirl remains for the use of a compact spiral or a swirl-free outflow for an outlet casing results.
  • the blades can be an integral part of the rotor, which can be achieved using additive manufacturing methods.
  • stage concept which, if the Mach numbers in the flow area are very low and the mechanical load capacity limits the speed, can significantly increase the energy density per stage.
  • the guide vanes are designed in such a way that a change in a velocity component of the flow fluid takes place in the circumferential direction.
  • the second compression area has additional, second moving blades, which are arranged on the rotor.
  • the outflow area is designed in a spiral shape.
  • the flow fluid is deflected from the axial direction into a radial direction in the first compression region. After this deflection, the flow medium is again deflected from the radial to the axial direction, so that the flow medium flows out of the first compression region essentially in the axial direction.
  • the deflection area and the second compression area are arranged axially one behind the other.
  • the deflection area and the second compression area are arranged in a multi-stage single-shaft compressor.
  • the first compression area is advantageously designed in such a way that the flow fluid is deflected from an axial direction into a radial direction and flows out radially from the first compression area.
  • the blading does not deflect to a twist-free flow of 0°, but to a counter-twist that essentially corresponds to the twist of the inflow. Aerodynamically, this is possible through a thickness design of the blade, which avoids deceleration during deflection.
  • the counter-rotation present behind the deflection blading can then be used in a second row of blades located downstream, which can be part of the impeller, ie is connected to the first row of blades, in order to supply further energy to the flow fluid.
  • a skilful choice of the outflow angle in connection with the peripheral speed at the blade outlet can also generate a swirl-free inflow for the next impeller.
  • the flow fluid is deflected in the deflection area essentially by 180°.
  • the figure 1 shows a schematic longitudinal section along an x-axis in a compressor 1 according to the invention figure 1 shows only a section of the compressor 1.
  • the in figure 1 The compressor 1 shown can also be referred to as a radial turbo compressor.
  • the compressor 1 comprises a rotor 3 that is rotatably mounted about an axis of rotation 2.
  • the compressor shown can also be applied in a geared compressor at a stage position.
  • the rotor 3 has a cavity 4 .
  • Rotor blades 6 are arranged on a rotor surface 5 of the rotor 3 .
  • This Rotor blades 6 are arranged regularly in a circumferential direction 7 and form what is known as an impeller 27.
  • a stator 8 is arranged around the rotor 3 . As a result, a flow channel 9 is formed between the stator 8 and the rotor 3 . A first compression region 10 is formed between the stator 8 and the rotor 3 .
  • This compression area 10 comprises a flow fluid inlet 11 through which a process fluid or a flow fluid flows during operation.
  • This flow is represented symbolically by the arrow 12 .
  • the flow fluid flows from a substantially axial direction 13, ie substantially parallel to the axis of rotation 2 into the flow inlet 11.
  • the flow fluid undergoes a deflection from the axial direction 13 into a radial direction 20.
  • the deflection from the axial direction 13 into the radial direction 20 does not necessarily have to take place by 90°.
  • the deflection can be less than 90°. In the figure 1 deflection shown is approx. 45°.
  • the flow fluid flows through a deflection area 14 which is formed by guide vanes 15 which are arranged inside the stator 8 in the circumferential direction 7 .
  • the flow fluid is thereby deflected.
  • This compression area 16 is formed with further rotor blades 17 on the rotor surface 5.
  • the flow fluid flows into a spiral outflow area 18.
  • the flow fluid is deflected in the circumferential direction 7.
  • the flow fluid then flows out of the stator 8 (not shown).
  • a drive machine is coupled to the rotor 2 in a torque-transmitting manner.
  • the prime mover is in the figure 1 not shown. Energy is transferred to the flow fluid by the drive machine, so that the flow fluid is compressed in the first compression region 10, ie the pressure is increased. The pressure of the flow fluid is further increased in the further course in the compressor 1 through the deflection area 14 and the second compression area 16 .
  • the rotor blades 6 in the first compression area 10 and the rotor blades 17 in the second compression area 16 are designed accordingly.
  • the radial space in the figure 1 shown compressor 1 is thereby reduced.
  • the embodiment of the compressor 1 shown is designed with a radius R1, this radius R1 being the distance from the axis of rotation 2 to the rotor surface 5 after the moving blade 17.
  • the rotor 3 is designed in such a way that the radius 3 is reduced, so that the spiral-shaped outflow area 18 is arranged in the direction of the axis of rotation 2 as seen in the direction of flow.
  • a seal 21 for example a labyrinth seal 19 , is formed between the stator 8 and the rotor 3 .
  • the guide vanes 15 are designed in such a way that a speed component of the flow fluid changes in the circumferential direction 7 , with the circumferential direction 7 relating to the axis of rotation 2 .
  • FIG 12 shows two versions of an alternative embodiment of the invention.
  • the second variant is shown in dashed lines.
  • the inside figure 2 shown compressor 1 is essentially the same design as the compressor 1 from figure 1 .
  • the difference between the compressor 1 from figure 1 and compressor 1 off figure 2 lies in the design of the outflow area 18.
  • the outflow area is directed downwards (towards the rotor 2).
  • This radially inwardly formed first outflow area 22 is similar to the outflow area 18 from FIG figure 1 , except that the hollow-shaped rotor 2 is formed in such a way that the first outflow region 22 lies between the second moving blades 17 and the axis of rotation 2 .
  • the first outflow area 22 thus protrudes as far as the deflection area 14.
  • a spiral wound outwards can also be designed according to a second variant, as shown in dashed lines in FIG.
  • the figure 3 shows a radial compressor stage designed as a compressor 1 of a multi-stage radial shaft compressor according to the prior art.
  • the compressor 1 according to figure 3 comprises a rotor 3 and a stator 8.
  • a flow channel 9 is formed between the rotor 3 and the stator 8, with the flow channel 9 deflecting the flow fluid in the first compression region 10 from the axial direction 11 into the radial direction 20.
  • the flow fluid is then deflected from the radial direction 20 back into the axial direction 11 and then back into the radial direction 20 .
  • the flow fluid is thus deflected by 180°, where it then flows through guide vanes 26 and the twist is removed there by deflection.
  • the flow fluid then flows essentially in the axial direction 11 to an outflow region which is in the figure 3 is not shown in detail.
  • the figure 4 shows an alternative embodiment of a compressor 1 according to the invention and is based on the embodiment according to FIG figure 3 .
  • the inside figure 4 Compressor 1 shown comprises a rotor 3 and a stator 8 arranged around the rotor 3.
  • the difference between the compressor 1 and FIG figure 3 to the compressor 1 from the figures 1 and 2 is that in the first compression region 10 the direction of flow of the flow fluid is essentially deflected from the axial direction 13 into the radial direction 20 .
  • the impeller 27 embodied with rotor blades 6 is embodied in such a way that the flow fluid is deflected from the axial direction 13 into the radial direction 20 .
  • the deflection area 14 is designed in such a way that the flow fluid is deflected from the radial direction 20 into the axial direction 11 and then back into the radial direction 20 .
  • the flow fluid is deflected once by 180° in relation to the rotor axis.
  • the flow fluid flows into the second compression area 16, which is formed in a radial direction 20.
  • Guide vanes 15 are arranged in the deflection area 14 . These guide vanes 15 are designed in such a way that the flow fluid can be deflected in the circumferential direction.
  • the second compression region 16 is designed in such a way that the flow fluid is deflected from a radial direction 20 into a substantially axial direction 11 and the twist is removed in the process.
  • the rotor 3 is solid (without a cavity). In an alternative embodiment, the rotor 3 can be formed with a cavity 4 .

Landscapes

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

Abstract

Verdichter (1) umfassend einen um eine Rotationsachse (2) drehbar gelagerten Rotor (3), einen um den Rotor (3) angeordneten Stator (8), wobei ein Strömungskanal (9) zwischen dem Stator (8) und dem Rotor (3) ausgebildet ist, mit einem Strömungsfluideinlass (11), der zum im Wesentlichen axialen Zuströmen eines Strömungsfluides in den Strömungskanal (11) ausgebildet ist, ferner umfassend einen ersten Verdichtungsbereich (10) zum Verdichten des Strömungsfluides, wobei der erste Verdichtungsbereich (10) Laufschaufeln (6) aufweist, wobei im ersten Verdichtungsbereich (10) eine Strömungsumlenkung des Strömungsfluides aus der im Wesentlichen axialen Richtung (13) in eine im wesentlichen radiale Richtung (20) erfolgt, wobei die radiale Richtung (20) und die axiale Richtung (13) sich auf die Rotationsachse (2) beziehen, ferner umfassend einen Umlenkbereich (14) zur Umlenkung des aus dem ersten Verdichtungsbereichs (10) ausströmenden Strömungsfluides, wobei der Umlenkbereich (14) Leitschaufeln (15) aufweist, mit einem zweiten Verdichtungsbereich (16) zum weiteren Verdichten des aus dem Umlenkbereich (14) ausströmenden Strömungsfluides, ferner umfassend einen Abströmbereich (18), wobei das Strömungsfluid aus dem zweiten Verdichtungsbereich (16) in den Abströmbereich (18) strömt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdichter umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, einen um den Rotor angeordneten Stator, wobei ein Strömungskanal zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildet ist, mit einem Strömungsfluideinlass, der zum im Wesentlichen axialen Zuströmen eines Strömungsfluides in den Strömungskanal ausgebildet ist, ferner umfassend einen ersten Verdichtungsbereich zum Verdichten des Strömungsfluides, wobei der erste Verdichtungsbereich Laufschaufeln aufweist, wobei im ersten Verdichtungsbereich eine Strömungsumlenkung des Strömungsfluides aus der im Wesentlichen axialen Richtung in eine im Wesentlichen radiale Richtung erfolgt, wobei die radiale Richtung und die axiale Richtung sich auf die Rotationsachse beziehen, ferner umfassend einen Umlenkbereich zur Umlenkung des aus dem ersten Verdichtungsbereichs ausströmenden Strömungsfluides, wobei der Umlenkbereich Leitschaufeln aufweist.
  • Verdichter sind Maschinen, die einem eingeschlossenen Gas mechanische Arbeit zuführen, wobei Verdichter zum Komprimieren von Gasen eingesetzt werden. Der Druck und die Dichte des Gases werden dabei erhöht. Ein anderer Begriff für Verdichter ist Kompressor.
  • Verdichter können unter anderem als so genannte Getriebeverdichter oder Radialverdichter ausgebildet werden. Es sind noch weitere Ausführungsformen von Verdichtern bekannt. So sind zum Beispiel Axialverdichter bekannt.
  • Neben den Verdichtern sind auch allgemein Turbomaschinen bekannt, die auch als Radialturbomaschinen ausgebildet sein können. 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 bzw. Turbinen grundsätzlich genauso anwendbar, wie für Verdichter, wobei ein Radialturboexpander gegenüber einem Radialturboverdichter im Wesentlichen eine umgekehrte Strömungsrichtung des Strömungsfluides vorsieht.
  • Das globale Marktumfeld fordert Turbomaschinen mit niedrigen Investitionskosten. Zur Kostensenkung ist es besonders effektiv die Maschinen kompakter zu gestalten. Dabei kommt es insbesondere darauf an, den benötigten radialen oder axialen Bauraum zu reduzieren. Diese Maßnahme geht in der Regel mit einer Wirkungsgradverschlechterung einher.
  • Die Aufgabe einer Radialverdichterstufe ist es im Allgemeinen dem Strömungsfluid bei höchstmöglicher Effizienz Energie zuzuführen und diese in Druck umzuwandeln. Bei den meisten Strömungsmaschinen sind, um die angestrebte Druckerhöhung zu erreichen, mehrere Stufen bestehend aus Laufrad und Statorkomponenten notwendig. Es ist naheliegend, dass eine Strömungsmaschine umso günstiger gebaut werden kann, je weniger Stufen für die angestrebte Druckerhöhung eingesetzt werden. Daher sollte die Energiedichte pro Stufe bei akzeptablen Effizienzwerten maximiert werden. Dies könnte beispielsweise durch die Erhöhung der Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit erfolgen.
  • Allerdings könnten zu hohe Geschwindigkeiten zu nicht mehr akzeptablen Mach-Zahlen des Strömungsfluides führen. Des Weiteren könnten zu hohe Geschwindigkeiten die maximale mechanische Belastbarkeit der rotierenden Komponenten erreichen.
  • Davon ausgehend hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, die Kompaktheit zu verbessern, ohne die Aerodynamik unverhältnismäßig zu verschlechtern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Verdichter umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, einen um den Rotor angeordneten Stator, wobei ein Strömungskanal zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildet ist, mit einem Strömungsfluideinlass, der zum im Wesentlichen axialen Zuströmen eines Strömungsfluides in den Strömungskanal ausgebildet ist, ferner umfassend einen ersten Verdichtungsbereich zum Verdichten des Strömungsfluides, wobei der erste Verdichtungsbereich Laufschaufeln aufweist, wobei im ersten Verdichtungsbereich eine Strömungsumlenkung des Strömungsfluides aus der im Wesentlichen axialen Richtung in eine im Wesentlichen radiale Richtung erfolgt, wobei die radiale Richtung und die axiale Richtung sich auf die Rotationsachse beziehen, ferner umfassend einen Umlenkbereich zur Umlenkung des aus dem ersten Verdichtungsbereichs ausströmenden Strömungsfluides, wobei der Umlenkbereich Leitschaufeln aufweist, ferner umfassend einen zweiten Verdichtungsbereich zum weiteren Verdichten des aus dem Umlenkbereich ausströmenden Strömungsfluides, ferner umfassend einen Abströmbereich, wobei das Strömungsfluid aus dem zweiten Verdichtungsbereich in den Abströmbereich strömt.
  • Die Begriffe axial, radial, tangential, Umfangsrichtung und ähnliche sind vorliegend - wenn nicht anders angegeben - jeweils auf die zentrale Achse bezogen, um die sich die Strömungsführung ringförmig erstreckt. Diese Achse ist bei einer Radialturbomaschine bzw. bei einem Verdichter auch die Rotationsachse eines Rotors bzw. der Welle mit den Laufrädern. Die Strömungsführung lenkt das Prozessfluid bogenförmig um, so dass bezüglich der Umlenkung der Begriff "radial" sich nicht auf die zentrale Achse bezieht, sondern auf die Biegung bzw. Krümmung der Umlenkung selbst.
  • Ein zu führendes Prozessfluid 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 Prozessfluid 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 Laufschaufel versteht die Erfindung eine rotierende Beschaufelung. Eine derartig rotierende Beschaufelung kann als ein Laufrad ausgebildet sein, das beispielsweise auf eine Welle aufgeschrumpft ist. Alternativ ist es möglich, dass die Laufstufe aus einzelnen Schaufeln besteht, die entweder an einer Welle eines Rotors angebracht sind oder sogar einstückig mit dem Rotor bzw. der Welle ausgebildet sind.
  • Unter einer Leitschaufel versteht die Erfindung eine statische Beschaufelung. Eine derartig statische Beschaufelung kann als ein Leitschaufelkranz ausgebildet sein, das beispielsweise auf dem Innenbereich eines Gehäuses angebracht ist.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen im Grunde eine zweifache Verdichtung anstelle einer einzelnen Verdichtung durchzuführen. Erfindungsgemäß wird hier ein Stufenkonzept vorgeschlagen, mit dem es möglich ist, die Energiedichte pro Stufe deutlich zu erhöhen.
    Mit der im Strömungskanal angeordneten zweiten Verdichtung kann die zugeführte Energie bei konstanten Drehzahlen insgesamt erhöht werden.
  • Mit der Erfindung ist es somit möglich, für eine gegebene Verdichtungsaufgabe die Anzahl der erforderlichen Stufen zu reduzieren. Außerdem kann der radiale Bauraum erfindungsgemäß verkleinert werden.
  • Gemäß der Erfindung bietet sich besonders an, die axiale Anströmung mit verstellbarem Eintrittsleitgitter auszubilden. Somit könnte eine bekannte überhängende Getriebeverdichterstufe durch eine Kombination aus Radial- und Axialstufe auf einem Ritzelwellenende zusammen mit einer sehr kompakten Spirale bzw. Sammelgehäuse ersetzt werden.
  • Gemäß der Erfindung ist die Radialstufe derart ausgebildet, dass das Radiallaufrad nicht radial, sondern axial abströmt und ohne den typischen Radialdiffusor unmittelbar zu dem Leitrad der ersten Axialstufe strömt.
  • Die Axialstufe ist derart ausgebildet, dass das Leitrad eine reine Umlenkbeschaufelung besitzt und die nachfolgende Rotorbeschaufelung mit einem hohen Gegendrall beaufschlagt. Dadurch wird erreicht, dass die spezifische Strömungsarbeit der Kombistufe etwa zweimal so hoch sein kann wie die vergleichbare einzelne Radialstufe bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Gemäß der Erfindung kann der Verdichter für Gasanwendungen bei kleineren Molekulargewichten wie zum Beispiel bei Wasserstoff Gas, Erdgas oder Ähnlichem eingesetzt werden.
  • Die Rotorbeschaufelung kann austrittsseitig so ausgelegt werden, dass ein gewisser Restdrall für die Verwendung einer kompakten Spirale verbleibt oder aber eine drallfreie Abströmung für ein Austrittsgehäuse resultiert.
  • Die Laufschaufeln können integraler Bestandteil des Rotors sein, was durch additive Fertigungsmethoden erreicht werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird somit ein Stufenkonzept vorgeschlagen, welches, wenn die Mach-Zahlen im Strömungsgebiet sehr gering sind und die mechanische Belastbarkeit die Drehzahl limitiert, die Energiedichte pro Stufe deutlich erhöhen kann.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leitschaufeln derart ausgebildet sind, dass eine Änderung einer Geschwindigkeitskomponente des Strömungsfluides in der Umfangsrichtung erfolgt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der zweite Verdichtungsbereich weitere, zweite Laufschaufeln auf, die auf dem Rotor angeordnet sind.
  • In einer vorteilhaften Weitergestaltung der Erfindung ist der Abströmbereich spiralförmig ausgebildet.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt im ersten Verdichtungsbereich eine Ablenkung des Strömungsfluides aus der axialen Richtung in eine radiale Richtung. Nach dieser Ablenkung erfolgt wiederum eine Umlenkung des Strömungsmediums aus der radialen in die axiale Richtung, so dass das Strömungsmedium aus dem ersten Verdichtungsbereich im Wesentlichen in axialer Richtung abströmt.
  • In dieser Ausführungsform der vorteilhaften Weiterbildung sind der Umlenkbereich und der zweite Verdichtungsbereich axial hintereinander angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist der Umlenkbereich und der zweite Verdichtungsbereich in einem mehrstufigen Einwellenverdichter angeordnet.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist vorteilhafterweise der erste Verdichtungsbereich derart ausgebildet, dass das Strömungsfluid aus einer axialen Richtung in eine radiale Richtung abgelenkt wird und aus dem ersten Verdichtungsbereich radial abströmt.
  • Somit wird vorgeschlagen, statt einem klassischen Stufenkonzept bestehend aus Laufrad und nachfolgenden Statoren auf der Rückseite des Laufrades im Strömungskanal, wo klassischerweise die Rückführbeschaufelung positioniert ist, eine weitere rotierende Schaufelreihe zu positionieren, die dann den zweiten Verdichtungsbereich bildet. Auf diese Weise kann den Strömungsfluid in einem weiteren Teil des Strömungskanals Energie zugeführt werden. Dies erhöht die insgesamt in der Stufe zugeführte Energie bei konstanter Drehzahl.
  • Um an beschriebener Stelle eine Beschaufelung, welche dem Strömungsfluid Energie zuführt, vorsehen zu können, muss die Strömung vorher umgelenkt werden. Dies ist, wie beim klassischen Stufenkonzept für das nächste Laufrad, notwendig, um dem Strömungsfluid abermals Energie zuführen zu können.
  • Entgegen einer klassischen Rückführbeschaufelung lenkt dabei die Beschaufelung nicht auf eine drallfreie Strömung von 0° um, sondern auf einen im Wesentlichen dem Drall der Anströmung entsprechenden Gegendrall. Aerodynamisch ist dies durch eine Dickengestaltung der Schaufel möglich welche eine Verzögerung während der Umlenkung vermeidet.
  • Der hinter der Umlenkbeschaufelung vorliegende Gegendrall kann dann in einer stromab liegenden zweiten Schaufelreihe, welche ein Teil des Laufrades sein kann, also mit der ersten Schaufelreihe verbunden ist, genutzt werden, um dem Strömungsfluid weitere Energie zuzuführen.
  • Durch eine geschickte Wahl des Abströmwinkels in Verbindung mit der Umfangsgeschwindigkeit am Schaufelaustritt kann dabei des Weiteren eine drallfreie Zuströmung für das nächste Laufrad erzeugt werden.
  • In dieser alternativen Ausführungsform erfolgt die Umlenkung des Strömungsfluides im Umlenkbereich im Wesentlichen um 180°.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
  • Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbeispiele nicht maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in thematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine erfindungsgemäße Radialturbomaschine,
    Figur 2
    eine erfindungsgemäße Radialturbomaschine in zwei alternativen Ausführungsformen,
    Figur 3
    eine Radialturbomaschine gemäß dem Stand der Technik,
    Figur 4
    eine erfindungsgemäße Radialturbomaschine in alternativer Ausführungsform.
  • Die Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt entlang einer x-Achse in eines erfindungsgemäßen Verdichters 1. die Figur 1 zeigt lediglich einen Ausschnitt des Verdichters 1. Der in Figur 1 gezeigte Verdichter 1 kann auch als Radialturboverdichter bezeichnet werden. Der Verdichter 1 umfasst einen um eine Rotationsachse 2 drehbar gelagerten Rotor 3.
  • Der in Figur 1 gezeigte Verdichter kann auch in einem Getriebeverdichter an einer Stufenposition angewendet werden.
  • Der Rotor 3 weist einen Hohlraum 4 auf. An einer Rotoroberfläche 5 des Rotors 3 sind Laufschaufeln 6 angeordnet. Diese Laufschaufeln 6 sind in einer Umfangsrichtung 7 regelmäßig angeordnet und bilden einen sogenannten Impeller 27.
  • Um den Rotor 3 ist ein Stator 8 angeordnet. Zwischen dem Stator 8 und dem Rotor 3 ist dadurch ein Strömungskanal 9 ausgebildet. Zwischen dem Stator 8 und dem Rotor 3 ist ein erster Verdichtungsbereich 10 ausgebildet.
  • Dieser Verdichtungsbereich 10 umfasst einen Strömungsfluideinlass 11 durch den im Betrieb ein Prozessfluid oder ein Strömungsfluid strömt. Diese Strömung wird durch den Pfeil 12 symbolisch dargestellt. In der Figur 1 strömt das Strömungsfluid aus einer im Wesentlichen axialen Richtung 13, d.h. im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 2 in den Strömungseinlass 11 hinein. Dort erfährt das Strömungsfluid eine Umlenkung von der axialen Richtung 13 in eine radiale Richtung 20. Dabei muss die Umlenkung von der axialen Richtung 13 in die radiale Richtung 20 nicht zwingend um 90° erfolgen. Wie in der Figur 1 zu sehen ist, kann die Umlenkung weniger als 90° sein. Die in Figur 1 gezeigte Umlenkung liegt bei ca. 45°.
  • Nach der Umlenkung in die radiale Richtung 20 erfolgt wieder eine Umlenkung in die axiale Richtung 13, wobei nach dem Austritt nach der Laufschaufel 6 die Strömung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 2 verläuft. Also im Wesentlichen in die axiale Richtung 13.
  • In Strömungsrichtung gesehen nach der Laufschaufel 6 strömt das Strömungsfluid durch einen Umlenkbereich 14, der durch Leitschaufeln 15 gebildet ist, die innerhalb des Stators 8 in Umfangsrichtung 7 angeordnet sind. Das Strömungsfluid wird dadurch umgelenkt.
  • Nach dem Umlenkbereich 14 strömt das Strömungsfluid durch einen zweiten Verdichtungsbereich 16. Dieser Verdichtungsbereich 16 wird mit weiteren Laufschaufeln 17 auf der Rotoroberfläche 5 gebildet.
  • Nach dem zweiten Verdichtungsbereich 16 strömt das Strömungsfluid in einen spiralförmigen Abströmbereich 18. In diesem spiralförmigen Abströmbereich 18 wird das Strömungsfluid in die Umfangsrichtung 7 umgelenkt. Das Strömungsfluid strömt anschließend aus dem Stator 8 heraus (nicht dargestellt).
  • An den Rotor 2 ist eine Antriebsmaschine drehmomentübertragend gekoppelt. Die Antriebsmaschine ist in der Figur 1 nicht dargestellt. Durch die Antriebsmaschine wird dem Strömungsfluid Energie übertragen, sodass im ersten Verdichtungsbereich 10 das Strömungsfluid verdichtet wird, d. h. der Druck erhöht wird. Der Druck des Strömungsfluides wird im weiteren Verlauf im Verdichter 1 durch den Umlenkbereich 14 und den zweiten Verdichtungsbereich 16 weiter erhöht.
  • Die Laufschaufeln 6 im ersten Verdichtungsbereich 10 und die Laufschaufeln 17 im zweiten Verdichtungsbereich 16 sind entsprechend ausgebildet. Der radiale Bauraum des in der Figur 1 gezeigten Verdichters 1 wird dadurch reduziert.
  • Die in der Figur 1 gezeigte Ausführungsform des Verdichters 1 ist mit einem Radius R1 ausgebildet, wobei dieser Radius R1 der Abstand von der Rotationsachse 2 zur Rotoroberfläche 5 nach der Laufschaufel 17 darstellt. Wie in der Figur 1 zu sehen, wird der Rotor 3 derart ausgebildet, dass der Radius 3 verkleinert wird, so dass in Strömungsrichtung gesehen der spiralförmige Abströmbereich 18 in Richtung Rotationsachse 2 angeordnet ist. Zwischen dem Stator 8 und dem Rotor 3 ist eine Dichtung 21, beispielsweise eine Labyrinthdichtung 19 ausgebildet.
  • In der Figur 1 sind Geschwindigkeitsdreiecke dargestellt. Zu sehen sind die Laufschaufeln 6, die Leitschaufeln 15 und die Laufschaufeln 17 (in schematischer Weise dargestellt). Ebenso sind die Geschwindigkeitsdreiecke in diesen Bereichen (erster Verdichtungsbereich 10, Umlenkbereich 14 und zweiter Verdichtungsbereich 16) dargestellt.
  • Im Umlenkbereich 14 sind die Leitschaufeln 15 derart ausgebildet, dass eine Änderung einer Geschwindigkeitskomponente des Strömungsfluides in der Umfangsrichtung 7 erfolgt, wobei die Umfangsrichtung 7 sich auf die Rotationsachse 2 bezieht.
  • Die Figur 2 zeigt zwei Ausführungen einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist die zweite Variante gestrichelt dargestellt. Der in Figur 2 dargestellte Verdichter 1 ist im Wesentlichen gleich ausgebildet wie der Verdichter 1 aus Figur 1. Der Unterschied zwischen dem Verdichter 1 aus Figur 1 und dem Verdichter 1 aus Figur 2 liegt in der Ausführung des Abströmbereiches 18.
  • In der ersten Variante ist der Abströmbereich nach unten (zum Rotor 2) hin gerichtet. Dieser radialförmig nach innen ausgebildete erste Abströmbereich 22 ist ähnlich zu dem Abströmbereich 18 aus der Figur 1, außer, dass der hohlförmige Rotor 2 derart ausgebildet ist, dass der erste Abströmbereich 22 zwischen den zweiten Laufschaufeln 17 und der Rotationsachse 2 liegt. Der erste Abströmbereich 22 ragt somit bis zum Umlenkbereich 14.
  • Wenn der verfügbare Bauraum nicht für die innenliegende Spirale ausreicht, bietet sich gemäß einer zweiten Variante auch eine nach außen gewickelte Spirale konstruktiv an, wie in Figur 2 gestrichelt dargestellt.
  • Die Figur 3 zeigt eine als Verdichter 1 ausgebildete Radialverdichterstufe eines mehrstufigen Radialwellenverdichters gemäß dem Stand der Technik. Der Verdichter 1 gemäß Figur 3 umfasst einen Rotor 3 und einen Stator 8. Zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 8 ist ein Strömungskanal 9 ausgebildet, wobei der Strömungskanal 9 das Strömungsfluid im ersten Verdichtungsbereich 10 aus der axialen Richtung 11 in die radiale Richtung 20 umlenkt.
  • Anschließend wird das Strömungsfluid aus der radialen Richtung 20 wieder in die axiale Richtung 11 und dann wieder in die radiale Richtung 20 umgelenkt. Das Strömungsfluid wird somit um 180° umgelenkt, wobei es anschließend durch Leitschaufeln 26 strömt und dort der Drall durch Umlenkung entzogen wird.
  • Anschließend strömt das Strömungsfluid im Wesentlichen in axialer Richtung 11 zu einem Abströmbereich, der in der Figur 3 nicht näher dargestellt ist.
  • Die Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters 1 und basiert auf der Ausführungsform gemäß Figur 3. Der in Figur 4 gezeigte Verdichter 1 umfasst einen Rotor 3 und einen um den Rotor 3 angeordneten Stator 8. Der Unterschied des Verdichters 1 aus der Figur 3 zu dem Verdichter 1 aus den Figuren 1 und 2 ist der, dass im ersten Verdichtungsbereich 10 die Strömungsrichtung des Strömungsfluides im Wesentlichen aus der axialen Richtung 13 in die radiale Richtung 20 umgelenkt wird. Dies erfolgt im Wesentlichen dadurch, dass der mit Laufschaufeln 6 ausgebildete Impeller 27 derart ausgebildet ist, dass eine Ablenkung des Strömungsfluides von der axialen Richtung 13 in die radiale Richtung 20 erfolgt. Ein weiterer Unterschied ist, dass der Umlenkbereich 14 derart ausgebildet ist, dass das Strömungsfluid von der radialen Richtung 20 in die axiale Richtung 11 und anschließend wieder in die radiale Richtung 20 umgelenkt wird. Das Strömungsfluid wird mit anderen Worten einmal um 180° in Bezug auf die Rotorachse umgelenkt.
  • Nach dem Umlenkbereich 14 strömt das Strömungsfluid in den zweiten Verdichtungsbereich 16, der in einer radialen Richtung 20 ausgebildet ist. Im Umlenkbereich 14 sind Leitschaufeln 15 angeordnet. Diese Leitschaufeln 15 sind derart ausgebildet, dass eine Umlenkung des Strömungsfluides in Umfangsrichtung erfolgen kann.
  • Der zweite Verdichtungsbereich 16 ist derart ausgebildet, dass das Strömungsfluid aus einer radialen Richtung 20 in eine im Wesentlichen axiale Richtung 11 umgelenkt und dabei der Drall entzogen wird.
  • Im Anschluss an den Verdichtungsbereich 16 strömt das Strömungsfluid dem Laufrad der nächsten Stufe zu.
  • Der Rotor 3 ist solide (ohne Hohlraum) ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Rotor 3 mit einem Hohlraum 4 ausgebildet werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (12)

  1. Verdichter (1)
    umfassend
    einen um eine Rotationsachse (2) drehbar gelagerten Rotor (3),
    einen um den Rotor (3) angeordneten Stator (8), wobei ein Strömungskanal (9) zwischen dem Stator (8) und dem Rotor (3) ausgebildet ist,
    mit einem Strömungsfluideinlass (11), der zum im Wesentlichen axialen Zuströmen eines Strömungsfluides in den Strömungskanal (11) ausgebildet ist,
    ferner umfassend einen ersten Verdichtungsbereich (10) zum Verdichten des Strömungsfluides,
    wobei der erste Verdichtungsbereich (10) Laufschaufeln (6) aufweist,
    wobei im ersten Verdichtungsbereich (10) eine Strömungsumlenkung des Strömungsfluides aus der im Wesentlichen axialen Richtung (13) in eine im wesentlichen radiale Richtung (20) erfolgt, wobei die radiale Richtung (20) und die axiale Richtung (13) sich auf die Rotationsachse (2) beziehen,
    ferner umfassend einen Umlenkbereich (14) zur Umlenkung des aus dem ersten Verdichtungsbereichs (10) ausströmenden Strömungsfluides,
    wobei der Umlenkbereich (14) Leitschaufeln (15) aufweist,
    gekennzeichnet durch einen zweiten Verdichtungsbereich (16) zum weiteren Verdichten des aus dem Umlenkbereich (14) ausströmenden Strömungsfluides,
    ferner umfassend einen Abströmbereich (18), wobei das Strömungsfluid aus dem zweiten Verdichtungsbereich (16) in den Abströmbereich (18) strömt.
  2. Verdichter (1) nach Anspruch 1,
    wobei die Leitschaufeln (15) derart ausgebildet sind, dass eine Änderung einer Geschwindigkeitskomponente des Strömungsfluides in der Umfangsrichtung (7) erfolgt, wobei die Umfangsrichtung (7) sich auf die Rotationsachse (2) bezieht.
  3. Verdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der zweite Verdichtungsbereich (16) zweite Laufschaufeln (17) aufweist, die auf dem Rotor (3) angeordnet sind.
  4. Verdichter (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    wobei der Abströmbereich (18) in Umfangsrichtung (7) gesehen spiralförmig ausgebildet ist.
  5. Verdichter (1) nach Anspruch 4,
    wobei die radiale Erstreckung des spiralförmigen Abströmbereichs (18) kleiner ist als der Teilradius des Rotors (3) nach dem zweiten Verdichtungsbereich (16).
  6. Verdichter (1) nach Anspruch 5,
    wobei der spiralförmige Abströmbereich (18) derart ausgebildet ist, dass dieser ganz oder teilweise in radialer Richtung (20) gesehen zwischen dem zweiten Verdichtungsbereich (16) und der Rotationsachse (2) angeordnet ist.
  7. Verdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 - 6,
    wobei der erste Verdichtungsbereich (10) derart ausgebildet ist, dass eine Umlenkung des Strömungsfluides von zunächst einer axialen Richtung (13) in eine radiale Richtung (20) erfolgt und danach von der radialen Richtung (20) wieder im Wesentlichen in eine axiale Richtung (13).
  8. Verdichter (1) nach Anspruch 7,
    wobei der erste Verdichtungsbereich (10) derart ausgebildet ist, dass ein durch den ersten Verdichtungsbereich (10) strömendes Strömungsfluides axial im Wesentlichen abströmt und anschließend zu dem Umlenkbereich (14) strömt, wobei der Umlenkbereich (14) und der zweite Verdichtungsbereich (16) im Wesentlichen axial hintereinander angeordnet sind.
  9. Verdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 - 8,
    wobei der erste Verdichtungsbereich (10) derart ausgebildet ist, dass eine Umlenkung des Strömungsfluides aus der im Wesentlichen axialen Richtung (13) in eine im Wesentlichen radiale Richtung (20) erfolgt.
  10. Verdichter (1) nach Anspruch 9,
    wobei der Umlenkungsbereich (14) derart ausgebildet ist, dass die Strömungsführung des Strömungsfluides im Wesentlichen um 180° in Bezug auf die Rotationsachse umgelenkt wird und radial in den zweiten Verdichtungsbereich (16) strömt.
  11. Verdichter (1) nach Anspruch 10,
    wobei die Umlenkbeschaufelung (15) das Fluid von Mitdrall auf Gegendrall umlenkt.
  12. Verdichter (1) nach Anspruch 11,
    wobei der zweite Verdichtungsbereich (16) derart ausgebildet ist, dass das Strömungsfluid aus einer radialen Richtung (20) in eine im Wesentlichen axiale Richtung (13) umgelenkt wird.
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DE19523661A1 (de) * 1995-06-29 1997-01-02 Mayer Helmut Turborotor
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