EP4036378A1 - Strömungsmaschine, insbesondere radialexpander - Google Patents

Strömungsmaschine, insbesondere radialexpander Download PDF

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EP4036378A1
EP4036378A1 EP21153967.1A EP21153967A EP4036378A1 EP 4036378 A1 EP4036378 A1 EP 4036378A1 EP 21153967 A EP21153967 A EP 21153967A EP 4036378 A1 EP4036378 A1 EP 4036378A1
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EP
European Patent Office
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flow
rotor
axis
stator
designed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21153967.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
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 EP21153967.1A priority Critical patent/EP4036378A1/de
Publication of EP4036378A1 publication Critical patent/EP4036378A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • 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
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/24—Three-dimensional ellipsoidal
    • F05D2250/241—Three-dimensional ellipsoidal spherical

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine comprising a rotor mounted rotatably about an axis of rotation, the rotor comprising rotor blades, and a stator arranged around the rotor, with an inflow area for inflow of a flow medium being formed in the stator, the inflow area being formed in such a way that a flow inlet channel is formed, wherein the flow inlet channel is designed in such a way that a flow of the flow fluid runs essentially parallel to the axis of rotation, wherein the stator also has a deflection area in which the flow medium can be deflected from an axial direction into a radial direction towards the axis of rotation, wherein between the Rotor and the stator, a flow area is formed, wherein in the flow area, the energy of the flow medium can be converted into rotational energy of the rotor, with a diffuser area connected after the flow area, which is designed such that the Strömu flow medium essentially axially.
  • Flow machines for example geared machines, in particular hot gas expanders of the type mentioned at the beginning are characterized by a multi-shaft arrangement with different rotational speeds around a central drive wheel. This provides a compact unit for multi-stage compression/expansion for a large number of media, preferably gaseous media.
  • Such gear machines expand the medium, which can have an inlet temperature of up to 300°C or, in a preferred embodiment, an inlet temperature of over 300°C.
  • an inlet temperature of up to 300°C or, in a preferred embodiment, an inlet temperature of over 300°C.
  • hot gas expanders With a media inlet temperature of more than 300°C, one also speaks of so-called hot gas expanders.
  • These hot gas expanders have at least one inlet housing in which the spiral insert is arranged.
  • the spiral insert carries an adjustable inlet nozzle, the one Adjusting ring, guide vanes and bolts, the bolts serving as an axis of rotation for adjusting the guide vanes.
  • a turbomachine comprising a rotor mounted rotatably about an axis of rotation, the rotor comprising moving blades, and a stator arranged around the rotor, with an inflow region for inflow of a flow medium being formed in the stator, wherein the inflow area is designed in such a way that a flow inlet channel is formed, the flow inlet channel being designed in such a way that a flow of the flow fluid runs essentially parallel to the axis of rotation, the stator also having a deflection area in which the flow medium flows from an axial direction into a radial direction can be deflected towards the axis of rotation, with a flow area being formed between the rotor and the stator, with the energy of the flow medium being convertible into rotational energy of the rotor in the flow area, with a diffuser area adjoining the flow area, which is formed in such a way that the flow medium flows essentially axially, nozzle grid guide vanes being arranged in the flow in
  • the pivot axis can also be referred to as the axis of rotation.
  • the impeller can also be designed like a classic impeller, the impeller then being designed in such a way that the deflection takes place from the radial to the axial direction.
  • nozzle cascade guide vanes with axial inflow and outflow upstream of the impeller.
  • An essential feature of the invention is the adjustability of the nozzle grid vanes.
  • the adjustable nozzle cascade guide vanes enable control of both at a constant speed of the turbine stage the throughput as well as the pressure relief with the highest possible turbine efficiency.
  • the radial gaps above and below the axial nozzle cascade guide vanes required for adjustment should be as small as possible and only as large as necessary, since the gap flows that occur cause pressure losses and thus a reduction in turbine efficiency.
  • the concept of the axial inflow and outflow of the adjustable nozzle cascade guide vanes, on which the invention is based, enables an ultra-compact design of the radial turbine stage.
  • the special spherical contour description above and below the axial guide vanes (casing and vanes) creates minimal radial gaps in the entire adjustment range and thus minimal gaps and efficiency losses.
  • This axis is at a Radial turbomachine or, in the case of a compressor, 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 flow machine or that essentially serves as a drive or output for the operation of the flow machine.
  • 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 operation” to mean the state of operation of the corresponding machine or turbomachine, during which, for example, the rotor of the turbomachine rotates and technical work is transferred to 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 figure 1 1 shows a section of a turbomachine 1 according to the invention.
  • the turbomachine 1 comprises a rotor 2 which is mounted so as to be rotatable about an axis of rotation 4.
  • a stator 3 is arranged around the rotor 2.
  • a flow channel 5 is formed between the stator 3 and the rotor 2 .
  • the turbomachine 1 comprises an inflow area 6 which is arranged in the stator 3 and is designed for the inflow of a flow medium during operation.
  • a flow medium flows into the inflow area 6 .
  • the flow medium flows through a flow inlet channel 7.
  • the flow of the flow medium takes place here essentially parallel to the axis of rotation 4, i.e. the flow takes place essentially axially.
  • Nozzle cascade guide vanes 8 are arranged in the flow inlet channel 7 .
  • the nozzle cascade guide vanes 8 are formed about a pivot axis 9 , the pivot axis 9 running essentially parallel to a radial axis 10 related to the axis of rotation 4 .
  • the flow medium After flowing through the nozzle cascade guide vanes 8, the flow medium flows into a deflection area 11, in which the direction of flow of the flow medium is deflected from axial to radial.
  • the flow medium flows along moving blades 12 arranged on the rotor 2.
  • the moving blades 12 are arranged on the rotor surface of the rotor 2.
  • the rotor blades 12 are shaped in such a way that they essentially follow the geometry of the deflection area 11 . From about the radial flow, the flow medium is again deflected by the rotor 2 with the rotor blades 12 in the axial direction (parallel to the axis of rotation). The energy of the flow medium is converted into rotational energy of the rotor 2 in the entire blading 12 . As a result, the rotor 2 rotates.
  • the area of the rotor 2 with the moving blades 12 is also referred to as the impeller.
  • the impeller In figure 1 an open impeller is shown.
  • impeller a plurality of moving blades 12 distributed over the circumference of the rotor 2 form an impeller. Another name for the impeller is impeller.
  • the figure 1 shows two variants of an impeller.
  • a first variant of the impeller and the impeller blade 12 implemented there can be seen.
  • the moving blade 12 follows the deflection area 11.
  • the moving blades 12 are designed in such a way that a classic radial impeller is created. This means that the moving blade 12 is only formed up to the deflection area 13 and thus has a shorter radius 19 .
  • the flow medium is deflected from the axial direction into the opposite axial direction.
  • the radial installation space of the turbomachine can be significantly reduced as a result.
  • the flow medium flows through a diffuser 13 and from there out of the turbomachine in a manner not shown in detail.
  • the inlet housing Upstream of the inflow area 6, the inlet housing is designed in a spiral shape, so that the flow medium flows evenly into the inflow area 6 in the circumferential direction.
  • the flow medium is finally guided in the inflow area 6 in the axial direction in the direction of the nozzle cascade guide vanes 8 .
  • the nozzle grid guide vanes 8 are pivotable or rotatable about a pivot axis 9, so that the adjustable Nozzle cascade guide vanes 8 make it possible to regulate both the throughput and the pressure relief at a constant speed of the turbine stage with the highest possible turbine efficiency.
  • the pivot axis 9 can also be referred to as the axis of rotation. In order to ensure the most efficient adjustment possible, the necessary gaps between blade 8 and stator 3 should be as small as possible and kept constant in the adjustment range.
  • the figure 2 shows an enlarged detail of a nozzle cascade guide vane 8 from FIG figure 1 .
  • the nozzle cascade vane 8 is provided on the top and bottom with a surface which is spherical in shape, which can be described with a radius 15 (identical to radius 17) and another radius 16 (identical to 18).
  • the inner surface of the stator 3 is also spherical in the area of the blade and can be described with the radius 15 and the radius 16 .
  • the figure 3 shows a view (opposite to the direction of flow) of the flow channel 5 in the area of the flow inlet channel 7.
  • the flow channel 5 is also designed with a radius 17, the radius 17 representing an inner radius 17.
  • the outer contour of the flow channel is implemented by an outer radius 18 . (The following applies: One edge of blade 12 corresponds to radius 17 + ⁇ r 20 and the opposite edge corresponds to radius 18 - ⁇ r 20).
  • Radius 17 is identical to radius 15. Radius 18 is identical to radius 16.
  • the rotor 2 rotates with a frequency ⁇ around the rotating object 4.
  • the turbomachine 1 can be designed as a radial turbine.

Landscapes

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

Abstract

Strömungsmaschine (1) umfassend einen um eine Rotationsachse (4) drehbar gelagerten Rotor (2), wobei der Rotor Laufschaufeln (12) umfasst, ferner einen um den Rotor angeordneten Stator (3), wobei im Stator (3) ein Zuströmbereich (6) zum Zuströmen eines Strömungsmediums ausgebildet ist, derart dass ein Strömungseingangskanal (7) entsteht, indem eine Strömung des Strömungsfluides parallel zur Rotationsachse (4) verläuft, wobei der Stator ferner einen Umlenkbereich (11) aufweist, in dem das Strömungsmedium aus einer axialen in eine radiale Richtung (10) zur Rotationsachse (4) hin umlenkbar ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Strömungsbereich (5) ausgebildet ist, ab dem die Energie des Strömungsmediums in eine Rotationsenergie des Rotors umwandelbar ist, wobei sich ein Diffusor (13) anschließt, so dass das Strömungsmedium axial abströmt, wobei im Strömungseingangskanal (7) verstellbare Düsengitterleitschaufeln (8) angeordnet sind, deren Schwenkachse (9) parallel zur radialen Richtung (10) verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln umfasst, ferner einen um den Rotor angeordneten Stator, wobei im Stator ein Zuströmbereich zum Zuströmen eines Strömungsmediums ausgebildet ist, wobei der Zuströmbereich derart ausgebildet ist, dass ein Strömungseingangskanal entsteht, wobei der Strömungseingangskanal derart ausgebildet ist, dass eine Strömung des Strömungsfluides im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verläuft, wobei der Stator ferner einen Umlenkbereich aufweist, in dem das Strömungsmedium aus einer axialen Richtung in eine radiale Richtung zur Rotationsachse hin umlenkbar ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Strömungsbereich ausgebildet ist, wobei in dem Strömungsbereich die Energie des Strömungsmediums in eine Rotationsenergie des Rotors umwandelbar ist, wobei nach dem Strömungsbereich ein Diffusorbereich anschließt, der derart ausgebildet ist, dass das Strömungsmedium im Wesentlichen axial abströmt.
  • Strömungsmaschinen, beispielsweise Getriebemaschinen, insbesondere Heißgasexpander der eingangs genannten Art zeichnen sich durch eine Mehrwellenanordnung mit unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten um ein zentrales Antriebsrad aus. Hierdurch wird eine kompakte Einheit für eine mehrstufige Verdichtung/Expansion für eine Vielzahl von Medien, vorzugsweise von gasförmigen Medien zur Verfügung gestellt.
  • Derartige Getriebemaschinen expandieren das Medium, welches eine Eintrittstemperatur von bis zu 300°C oder in einer bevorzugten Ausführung eine Eintrittstemperatur über 300°C aufweisen kann. Bei einer Medieneintrittstemperatur von mehr als 300°C spricht man auch von so genannten Heißgasexpandern.
  • Diese Heißgasexpander weisen mindestens ein Einlaufgehäuse auf, in dem der Spiraleinsatz angeordnet ist. Der Spiraleinsatz trägt einen verstellbaren Eintrittsleitapparat, der einen Stellring, Leitschaufeln und Bolzen aufweist, wobei die Bolzen als Drehachse zum Einstellen der Leitschaufeln dienen.
  • Das globale Marktumfeld fordert kostengünstigere Turbomaschinen. Nach dem Stand der Technik bekannte Radialturbinen bzw. strömungsführenden Komponenten darin wurden mit Blick auf möglichst hohe Effizienz entwickelt und gebaut. Um deutliche Kostensenkungen zu erreichen, müssen die einzelnen Turbinenstufen bzw. die gesamte Radialturbine für die geforderte Entspannungsaufgabe wesentlich kompakter gestaltet werden. Dabei kommt es vor allen Dingen darauf an, den benötigten Bauraum der Stufe bzw. der Turbine deutlich zu reduzieren.
  • Um eine möglichst hohe spezifische Druckentspannung in einer Radial-Turbine, insbesondere einer Prozessgas-Radial-Turbine bei gleichzeitig akzeptablem Wirkungsgrad zu erreichen, werden 90°-Radiallaufräder (rein radiale Schaufeln am Laufradau-ßendurchmesser) eingesetzt. Stromauf des Radiallaufrades (zentripetal angeströmt und axial in einen konischen Axialdiffusor abströmend) wird die Strömung durch ein radiales, beschaufeltes Düsengitter geführt, welches eine vergleichsweise große radiale Erstreckung aufweist. Davor schließt sich stromauf ein symmetrisches Sammelgehäuse mit entsprechend notwendigen großen Strömungsquerschnitten an.
  • Insgesamt führt somit der strömungstechnisch erforderliche Bauraum zu großen radialen Stufenabmessungen, die zu vergleichsweise hohen Kosten führen.
  • An dieser Stelle setzt die Erfindung an, wobei es Aufgabe der Erfindung ist, eine Strömungsmaschine anzugeben, die kostengünstiger ausgebildet werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Strömungsmaschine umfassend einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor Laufschaufeln umfasst, ferner einen um den Rotor angeordneten Stator, wobei im Stator ein Zuströmbereich zum Zuströmen eines Strömungsmediums ausgebildet ist, wobei der Zuströmbereich derart ausgebildet ist, dass ein Strömungseingangskanal entsteht, wobei der Strömungseingangskanal derart ausgebildet ist, dass eine Strömung des Strömungsfluides im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse verläuft, wobei der Stator ferner einen Umlenkbereich aufweist, in dem das Strömungsmedium aus einer axialen Richtung in eine radiale Richtung zur Rotationsachse hin umlenkbar ist, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Strömungsbereich ausgebildet ist, wobei in dem Strömungsbereich die Energie des Strömungsmediums in eine Rotationsenergie des Rotors umwandelbar ist, wobei nach dem Strömungsbereich ein Diffusorbereich anschließt, der derart ausgebildet ist, dass das Strömungsmedium im Wesentlichen axial abströmt, wobei im Strömungseingangskanal Düsengitterleitschaufeln angeordnet sind, wobei die Düsengitterleitschaufeln um eine Schwenkachse ausgebildet sind, wobei die Schwenkachse im Wesentlichen parallel zu einer zur Rotationsachse bezogenen radialen Achse verläuft.
  • Die Schwenkachse kann auch als Drehachse bezeichnet werden.
  • Es wird somit vorgeschlagen ein neuartiges Radiallaufrad auszubilden, das in einem Meridianschnitt eine axiale An- und Abströmung zeigt.
  • Dadurch kann der radial erforderliche Bauraum der Strömungsmaschine reduziert werden.
  • Das Laufrad kann auch wie ein klassisches Laufrad ausgebildet sein, wobei das Laufrad dann derart ausgebildet ist, dass die Umlenkung aus der radialen in die axiale Richtung erfolgt.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, stromauf des Laufrades Düsengitterleitschaufeln mit axialer An- und Abströmung vorzusehen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verstellbarkeit der Düsengitterleitschaufeln.
  • Die verstellbaren Düsengitterleitschaufeln ermöglichen bei einer konstanten Drehzahl der Turbinenstufe die Regelung sowohl des Durchsatzes als auch der Druckentspannung bei möglichst hoher Turbineneffizienz.
  • Aus strömungstechnischer Sicht sind die zur Verstellung notwendigen radialen Spalte ober- und unterhalb der axialen Düsengitterleitschaufeln so klein wie möglich und nur so groß wie nötig auszuführen, da die auftretenden Spaltströmungen Druckverluste und somit eine Reduktion des Turbinenwirkungsgrades bewirken.
  • Da die Strömungsgeschwindigkeiten gerade am Austritt des Düsengitters typischerweise Schallnähe erreichen, können große Betriebsspalte an den Düsengitterleitschaufeln immense Wirkungsgradreduktionen der Turbinenstufe von mehreren Prozentpunkten bewirken. Da sich die Schaufelprofile bei Verstellung (Drehung um die radiale Schaufelachse) zwischen einer unteren und oberen Zylinderfläche (entsprechend Gehäuseinnen- und Gehäuseaußen-Durchmesser) bewegen müssen, ist zur Einhaltung eines konstanten, möglichst kleinen Radialspaltes eine kugelförmige Ausbildung der Konturen von Schaufeln und Gehäuse (auf Ober- und Unterseite) vorzusehen.
  • Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept der axialen An- und Abströmung der verstellbaren Düsengitterleitschaufeln ermöglicht eine ultra-kompakte Bauweise der Radialturbinenstufe. Die besondere kugelförmige Konturbeschreibung ober- und unterhalb der axialen Leitgitterschaufeln (Gehäuse und Schaufeln) bewerkstelligt minimale Radialspalte im gesamten Verstellbereich und damit minimale Spalte und Wirkungsgradverluste.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • 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 Strömungsmaschine befördert wird oder das dem Betrieb der Strömungsmaschine 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. Strömungsmaschine, währenddessen sich beispielsweise der Rotor der Strömungsmaschine 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.
  • 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 schematisierter 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 Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine mit zwei Varianten für das Laufrad,
    Figur 2:
    eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine aus Figur 1,
    Figur 3
    eine Seitenansicht in Blickrichtung III aus Figur 1.
  • Die Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine 1. Die Strömungsmaschine 1 umfasst einen um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagerten Rotor 2. Um den Rotor 2 ist ein Stator 3 angeordnet. Zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 2 ist ein Strömungskanal 5 ausgebildet.
  • Des Weiteren umfasst die Strömungsmaschine 1 einen im Stator 3 angeordneten Zuströmbereich 6, das zum Zuströmen eines Strömungsmediums im Betrieb ausgebildet ist.
  • Im Betrieb strömt in den Zuströmbereich 6 ein Strömungsmedium.
  • Nach dem Zuströmbereich 6 strömt das Strömungsmedium durch einen Strömungseingangskanal 7. Die Strömung des Strömungsmediums erfolgt hier im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse 4, d.h. die Strömung erfolgt im Wesentlichen axial.
  • In dem Strömungseingangskanal 7 sind Düsengitterleitschaufeln 8 angeordnet. Die Düsengitterleitschaufeln 8 sind um eine Schwenkachse 9 ausgebildet, wobei die Schwenkachse 9 im Wesentlichen parallel zu einer zur Rotationsachse 4 bezogenen radialen Achse 10 verläuft.
  • Nach Durchströmung der Düsengitterleitschaufeln 8 strömt das Strömungsmedium in einen Umlenkbereich 11, in der die Strömungsrichtung des Strömungsmediums von axial in radial umgelenkt wird.
  • Im Umlenkbereich 11 strömt das Strömungsmedium entlang von auf dem Rotor 2 angeordneten Laufschaufeln 12. Die Laufschaufeln 12 sind dabei auf der Rotoroberfläche des Rotors 2 angeordnet. Die Laufschaufeln 12 sind dabei derart geformt, dass sie im Wesentlichen der Geometrie des Umlenkbereiches 11 folgen. Ab etwa der radialen Strömung wird das Strömungsmedium durch den Rotor 2 mit den Laufschaufeln 12 wieder in die axiale Richtung (parallel zur Rotationsachse) umgelenkt. In der gesamten Beschaufelung 12 wird die Energie des Strömungsmediums in eine Rotationsenergie des Rotors 2 umgewandelt. Der Rotor 2 führt dadurch eine Rotation aus.
  • Der Bereich des Rotors 2 mit den Laufschaufeln 12 wird auch als Laufrad bezeichnet. In Figur 1 ist ein offenes Laufrad dargestellt.
  • Mehrere über den Umfang des Rotors 2 verteilte Laufschaufeln 12 bilden demnach ein Laufrad. Eine andere Bezeichnung für das Laufrad ist Impeller.
  • Die Figur 1 zeigt zwei Varianten eines Laufrades. In der oberen Hälfte der Figur 1 ist eine erste Variante des Laufrades und der dort ausgeführten Laufschaufel 12 zu sehen. Die Laufschaufel 12 folgt hierbei dem Umlenkbereich 11.
  • In der zweiten Variante, die in der unteren Hälfte zu sehen ist, werden die Laufschaufeln 12 derart ausgebildet, dass dadurch ein klassisches Radiallaufrad entsteht. Das bedeutet, dass die Laufschaufel 12 nur bis zum Umlenkbereich 13 ausgebildet ist und dadurch einen kürzeren Radius 19 aufweist.
  • Wie in Figur 1 zu sehen, erfolgt eine Umlenkung des Strömungsmediums aus der axialen Richtung in die axiale Gegenrichtung. Der radiale Bauraum der Strömungsmaschine kann dadurch deutlich verringert werden.
  • Nach dem Laufrad strömt das Strömungsmedium durch einen Diffusor 13 und von dort aus der Strömungsmaschine in nicht näher dargestellter Weise heraus.
  • In der Figur 1 ist die Strömungsrichtung durch Pfeile 14 dargestellt.
  • Stromauf des Zuströmbereiches 6 ist das Eintrittsgehäuse spiralförmig ausgebildet, so dass das Strömungsmedium in Umfangsrichtung gleichmäßig in den Zuströmbereich 6 einströmt.
  • Das Strömungsmedium wird im Zuströmbereich 6 schließlich in die axiale Richtung in Richtung der Düsengitterleitschaufeln 8 geführt.
  • Die Düsengitterleitschaufeln 8 sind um eine Schwenkachse 9 schwenkbar oder drehbar ausgebildet, so dass die verstellbaren Düsengitterleitschaufeln 8 es ermöglichen, bei einer konstanten Drehzahl der Turbinenstufe sowohl den Durchsatz als auch die Druckentspannung bei möglichst hoher Turbineneffizienz zu regeln. Die Schwenkachse 9 kann auch als Drehachse bezeichnet werden.
    Um eine möglichst effiziente Verstellung zu gewährleisten sind die notwendigen Spalte zwischen Schaufel 8 und Stator 3 möglichst klein und im Verstellbereich konstant zu realisieren.
  • Die Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Düsengitterleitschaufel 8 aus der Figur 1. Die Düsengitterleitschaufel 8 ist auf der Ober- und Unterseite mit einer Oberfläche versehen, die kugelförmig ausgebildet ist, die mit einem Radius 15 (identisch mit Radius 17) und einem weiteren Radius 16 (identisch mit 18) beschrieben werden kann. Die innere Oberfläche des Stators 3 ist im Bereich der Schaufel ebenfalls kugelförmig und mit dem Radius 15 und dem Radius 16 beschreibbar.
  • Die Figur 3 zeigt eine Ansicht (entgegengesetzt zur Strömungsrichtung gesehen) des Strömungskanals 5 im Bereich des Strömungseingangskanals 7. Wie in der Figur 3 zu sehen ist, wird der Strömungskanal 5 ebenfalls mit einem Radius 17 ausgeführt, wobei der Radius 17 einen inneren Radius 17 darstellt. Die äußere Kontur des Strömungskanals wird durch einen äußeren Radius 18 ausgeführt. (Es gilt: Eine Kante der Laufschaufel 12 entspricht Radius 17 + Δr 20 und die gegenüberliegende Kante entspricht Radius 18 - Δr 20).
  • Der Radius 17 ist mit dem Radius 15 identisch. Der Radius 18 ist mit dem Radius 16 identisch.
  • Der Rotor 2 rotiert hierbei mit einer Frequenz ω um die Rotationsache 4.
  • Die Strömungsmaschine 1 kann als Radial-Turbine ausgebildet sein.
  • 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 (7)

  1. Strömungsmaschine (1)
    umfassend einen um eine Rotationsachse (4) drehbar gelagerten Rotor (2), wobei der Rotor (2) Laufschaufeln (12) umfasst,
    ferner einen um den Rotor (2) angeordneten Stator (3), wobei im Stator (3) ein Zuströmbereich (6) zum Zuströmen eines Strömungsmediums ausgebildet ist,
    wobei der Zuströmbereich (6) derart ausgebildet ist, dass ein Strömungseingangskanal (7) entsteht, wobei der Strömungseingangskanal (7) derart ausgebildet ist, dass eine Strömung des Strömungsfluides im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse (4) verläuft,
    wobei der Stator (3) ferner einen Umlenkbereich (11) aufweist, in dem das Strömungsmedium aus einer axialen Richtung in eine radiale Richtung (10) zur Rotationsachse (4) hin umlenkbar ist,
    wobei zwischen dem Rotor (2) und dem Stator (3) ein Strömungsbereich (5) ausgebildet ist, wobei ab dem Strömungsbereich (5) die Energie des Strömungsmediums in eine Rotationsenergie des Rotors (2) umwandelbar ist, wobei nach dem Strömungsbereich (5) ein Diffusor (13) anschließt, der derart ausgebildet ist, dass das Strömungsmedium im Wesentlichen axial abströmt,
    wobei im Strömungseingangskanal (7) Düsengitterleitschaufeln (8) angeordnet sind,
    wobei die Düsengitterleitschaufeln (8) um eine Schwenkachse (9) ausgebildet sind, wobei die Schwenkachse (9) im Wesentlichen parallel zu einer zur Rotationsachse (4) bezogenen radialen Achse verläuft.
  2. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1,
    wobei die Düsengitterleitschaufeln (8) derart ausgebildet sind, dass ein Durchsatz des Strömungsmediums regelbar ist.
  3. Strömungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei die Düsengitterleitschaufeln (8) derart ausgebildet sind, dass eine Druckentspannung des Strömungsmediums regelbar ist.
  4. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei stromauf des Zuströmbereich (6) das Eintrittsgehäuse () spiralförmig ausgebildet ist.
  5. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei mehrere Düsengitterleitschaufeln (8) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
  6. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei der Stator (3) im Strömungseingangskanal (7) und die Düsengitterleitschaufeln (8) abschnittsweise kugelförmig ausgebildet sind.
  7. Strömungsmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Strömungsmaschine (1) als Radial-Turbine ausgebildet ist.
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