WO2016041800A1 - Gehäuse einer radialturbofluidenergiemaschine, radialturbofluidenergiemaschine - Google Patents

Gehäuse einer radialturbofluidenergiemaschine, radialturbofluidenergiemaschine Download PDF

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Erich Muranyi
Andreas Sonnenschein
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Definitions

  • the invention relates to a housing of a radial turbo fluid ⁇ Power engine with a housing casing, formed by a tubular wall extending along an axis and the at least one first axial end having a first opening, said first opening by means of ers ⁇ th lid is closable wherein the first lid by means of fastening elements sealingly on the
  • Casing shell is attachable.
  • the invention relates to a radial turbo fluid energy machine, in particular a Ra dialturbover Noticer comprising initially defined Gezzau ⁇ se.
  • a housing and a radial turbo fluid energy machine of the type mentioned at the outset a ⁇ are already known from EP 2045472 AI known.
  • the housing is formed purely cylindrical and has a substantially constant outer diameter.
  • the housing which is undivided in the circumferential direction, has a housing jacket and is closed axially on both sides, in each case with a cover.
  • the substantially tangentially led out of the housing high pressure nozzle has a same or smaller diameter than the inlet nozzle as a result of the compression of the process fluid in the radial turbocompressor.
  • a housing or such a radial turbofluid energy machine Before such a housing or such a radial turbofluid energy machine is put into operation, it must be checked in a hydrostatic pressure test under an increased compared to the operating conditions internal pressure, whether the housing withstood the expected pressure load with certainty.
  • the resulting stresses of the housing shell are usually in the range between the ⁇ ff ⁇ tion of the jacket to bring out the pressure port and the adjacent end face on which the front-side cover is ⁇ brought to the highest.
  • the housing shell is at the highest loaded point both through the opening for the discharge nozzle as well as through the attachment of the lid by means of screws, which are screwed into the blind holes in the wall of the housing shell frontally, weakened. It has been shown that theistskon ⁇ concentrations may exceed the voltages theoretically determined surprising and may lead to plastic deformation of the casing shell thus so that functional surfaces, sealing surfaces and fits are damaged during the compression test. In this way, it may poet come to Undichtig ⁇ liabilities and other adverse effects on the function of the comparison.
  • the invention has taken on the task of developing a housing that no longer has these problems.
  • the housing shell is manufactured instead of a uniform wall thickness with different wall thicknesses, wherein the wall thickness is greater on the side with the first opening than on the other axial side.
  • the side with the first opening is a high ⁇ pressure side of the radial turbofan energy machine, for which the housing is intended.
  • the highly stressed area is radially reinforced in a targeted manner.
  • radial, tangential or circumferential direction always refer to the axis of the housing shell.
  • the axis of this housing shell corresponds to a rotational axis of a rotor of the radial turbofan energy machine. This axis of rotation is in most cases aligned horizontally during operation.
  • An advantageous development of the invention provides that the axially extending in the wall blind holes on the first face of the housing shell in the circumferential direction with respect to the axis concentrically distributed on a first diameter, said first diameter is greater than the average diameter of the wall in the area in which the wall thickness is not thickened. In this way, the in ⁇ nenfasern be relieved to the housing on the seat diameter of the lid.
  • a decisive advantage of the invention is that a shorter and more compact housing with the same Druckbelas ⁇ tion by internal pressure is possible. In this way, in the radial turbofluid energy machine according to the invention, smaller bearing distances and a more stable rotor dynamics can be achieved. At the same time there is a material saving by means of the invention and in addition to the reduced material costs of transport and assembly are favored by a lower Ge ⁇ weight of the machine.
  • the housing shell in the axial region of the thickened wall thickness has a first opening which opens into a first discharge nozzle.
  • the open into the first pressure connection can be carried out radially or tangentially particularly preferred because ⁇ can be guided loss as possible from the adjacent housing in the first pressure port with the flow.
  • the first discharge nozzle is particularly preferably that of min. at least two discharge nozzles, which must endure the higher pressure during operation of the radial turbofan energy machine. Dement ⁇ speaking, it is expedient in these cases, to call the first discharge nozzle as a high-pressure nozzle.
  • This discharge nozzle is preferably the discharge nozzle, which has to endure a lower pressure in operation compared to the first discharge nozzle. Accordingly, it is expedient in these cases to designate the second discharge nozzle as a low-pressure nozzle.
  • Radialtur ⁇ bover confuser the high pressure port of the outlet port from the housing and the low pressure port of the materialssstut ⁇ is zen.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a housing according to the invention of a radial fluid turbine energy machine
  • Figure 2 is a schematic perspective view ei ⁇ nes section of the housing of the figure 1 in the region of a thickened wall thickness and egg nes high pressure port,
  • Figure 3 is a schematic perspective view ei ⁇ nes housing shell from FIG. 1
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through an inventive housing CAS with a
  • Housing jacket CCV which is also shown in detail in Figure 2 by ⁇ speculative and the housing shell CCV fully perspective schematically in Figure 3.
  • the housing CAS according to the invention has a
  • Housing jacket CCV which extends along a central axis X and on a first end face CVSl has a axi ale first opening HPO and on a second opposite ⁇ end face CVS2 has an axial second opening LPO.
  • End sides CVS1, CVS2 are designed to be closable by means of a first cover HPC and a second cover LPC, respectively.
  • the first lid HPC is formed from the outside to the casing CCV at ⁇ engageable and is fixed by means of fixing elements FX to the casing CCV so that it comes under INTERIM ge ⁇ a gasket not shown to a sealing engagement.
  • the fixing elements FX which are generally designed as screws, are screwed into axial blind holes BH for attachment of the cover HPC, which are provided in the wall W of the housing jacket CCV on the front side.
  • the second cover LPC is inserted from the inside into the housing shell and fixed there in a manner not shown.
  • a circumferentially extending projection PRO which is provided radially inwardly on the housing shell at the second opening LPO, is in operation with the second cover in sealing engagement.
  • the housing jacket CCV has a relation to the remaining housing jacket CCV ver ⁇ thickened wall thickness of the wall W in an axial part of the first axial end face CVSL.
  • the blind holes BH on the first axial face CVS1 are distributed over the circumference at a larger diameter than the average diameter of the wall thickness on the second axial face CVS2.
  • the blind holes BH are circumferentially distributed from the first axial end face CVSl with respect to the axis X concentric to a larger diameter than the average diameter of the wall in the region in which the wall thickness is not thickened. In this way, the inner fibers on Seat diameter of the first lid HPC relieved on the housing CAS.
  • the axial region of the thickened wall thickness of the wall W extends from the end face over the entire axial region of the first opening Ol of the first nozzle CF1 or high-pressure nozzle CHP.
  • the housing jacket CCV has a first opening Ol and a second opening 02.
  • the second opening 02 opens into a second discharge port CF2, which in the case of the formation of the housing CAS for a radial turbocompressor RTC forms an inlet connection to an outlet port or first discharge port CF1 or high-pressure port CHP on the axially opposite side and preferably the radially opposite Side - so essentially diametrically opposite - a lower pressure in operation must endure.
  • the second pressure connection CF2 opens substantially radially into the housing or the housing shell CAS CCV toward ⁇ clearly the axis X a.
  • the first pressure port CF1 or high-pressure port CHP has a smaller inlet diameter than the low-pressure port CLP and preferably flows not purely radially into the housing shell CCV, but at least somewhat more tangentially.
  • the thickened wall thickness of the wall W of the housing jacket CCV is designed such that the housing jacket CCV in the region of the thickened wall thickness has a larger outer diameter and the inner diameter in the region of the thickened wall thickness of the wall W relative to the axially non-thickened region has substantially the same average diameter
  • the housing jacket CCV is designed as a forged component, wherein the regions of the different wall thicknesses ⁇ can be interconnected by means of a circumferentially extending weld WD.
  • alternative is an embodiment of the housing shell CCV as a cast component or as a stepped forging component possible.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (CAS) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RFM) mit einem Gehäusemantel (CCV), gebildet von einer rohrförmigen Wandung (W), der sich entlang einer Achse (X) erstreckt und dessen mindestens eine erste axiale Stirnseite (CVS1) eine erste Öffnung (HPO) aufweist, wobei die erste Öffnung (HPO) mittels eines ersten Deckels (HPC) verschließbar ausgebildet ist, wobei der erste Deckel (HPC) mittels Befestigungselementen (FX) dichtend an dem Gehäusemantel (CCV) anbringbar ist. Um den Einsatzbereich der Maschine zu vergrößern wird vorgeschlagen, dass der Gehäusemantel (CCV) seitens der ersten axialen Stirnseite (CVS1) mit einer gegenüber dem übrigen Gehäusemantel (CCV) verdickten Wandstärke der Wandung (W) ausgebildet ist und die Wandung (W) stirnseitig mit sich axial in der Wandung (W) erstreckenden Sacklöchern (BH) versehen ist, in welchen die Befestigungselemente (FX) befestigbar sind.

Description

Beschreibung
Gehäuse einer Radialturbofluidenergiemaschine, Radialturbo- fluidenergiemaschine
Die Erfindung betrifft ein Gehäuse einer Radialturbofluid¬ energiemaschine mit einem Gehäusemantel, gebildet von einer rohrförmigen Wandung, der sich entlang einer Achse erstreckt und dessen mindestens eine erste axiale Stirnseite eine erste Öffnung aufweist, wobei die erste Öffnung mittels eines ers¬ ten Deckels verschließbar ausgebildet ist, wobei der erste Deckel mittels Befestigungselementen dichtend an dem
Gehäusemantel anbringbar ist. Daneben betrifft die Erfindung eine Radialturbofluidenergiemaschine, insbesondere einen Ra- dialturboverdichter umfassend das eingangs definierte Gehäu¬ se .
Ein Gehäuse und eine Radialturbofluidenergiemaschine der ein¬ gangs genannten Art sind bereits aus der EP 2 045 472 AI be- kannt . Insbesondere in der dortigen Figur 6 ist ersichtlich, dass das Gehäuse rein zylindrisch ausgebildet ist und einen im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser aufweist. Das in Umfangsrichtung ungeteilt ausgebildete Gehäuse weist einen Gehäusemantel auf und ist axial stirnseitig auf beiden Seiten jeweils mit einem Deckel verschlossen. Der im Wesentlichen tangential aus dem Gehäuse herausgeführte Hochdruckstutzen weist einen gleichen oder geringeren Durchmesser auf als der Eintrittsstutzen in Folge der Verdichtung des Prozessfluids in dem Radialturboverdichter.
Bevor ein derartiges Gehäuse beziehungsweise eine derartige Radialturbofluidenergiemaschine in Betrieb genommen wird, ist bei einer hydrostatischen Druckprobe unter einem gegenüber den Betriebsbedingungen erhöhten Innendruck zu prüfen, ob das Gehäuse der voraussichtlichen Druckbelastung mit Sicherheit stand hält. Die sich hierbei ergebenden Beanspruchungen des Gehäusemantels sind in der Regel im Bereich zwischen der Öff¬ nung des Mantels zur Herausführung des Druckstutzens und der angrenzenden Stirnseite, an der der stirnseitige Deckel an¬ bringbar ist, am höchsten.
Der Gehäusemantel ist an der höchstbelasteten Stelle sowohl durch die Öffnung für den Druckstutzen als auch durch die Befestigung des Deckels mittels Schrauben, die in Sacklöcher der Wandung des Gehäusemantels stirnseitig eingeschraubt sind, geschwächt. Es hat sich gezeigt, dass die Spannungskon¬ zentrationen überraschend auch die theoretisch ermittelten Spannungen überschreiten können und es somit zu plastischen Verformungen des Gehäusemantels kommen kann, so dass im Rahmen der Druckprobe Funktionsflächen, Dichtflächen und Passungen beschädigt werden. Auf diese Weise kann es zu Undichtig¬ keiten und anderen Beeinträchtigungen der Funktion des Ver- dichters kommen.
Ausgehend von den beschriebenen Problemen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Gehäuse zu entwickeln, das diese Probleme nicht mehr auf- weist.
Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Nach der Erfindung wird der Gehäusemantel statt mit einer einheitlichen Wandstärke mit unterschiedlichen Wandstärken gefertigt, wobei die Wandstärke auf der Seite mit der ersten Öffnung größer ist, als auf der anderen axialen Seite. Bevorzugt ist die Seite mit der ersten Öffnung eine Hoch¬ druckseite der Radialturbofluidenergiemaschine, für die das Gehäuse gedacht ist. Auf diese Weise wird nach der Erfindung gezielt der hoch beanspruchte Bereich radial verstärkt.
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die erfindungsgemäße Radi¬ alturbofluidenergiemaschine beziehungsweise das dafür vorge- sehene Gehäuse nach der Erfindung als Expander beziehungswei¬ se für einen Expander ausgebildet ist. In diesem Fall sind die entsprechenden Strömungsrichtungen gedanklich umzukehren und die Begrifflichkeiten wären ebenfalls gedanklich anzupassen .
In der Terminologie der Erfindung bedeuten Begriffe wie radi- al, tangential oder Umfangsrichtung stets eine Bezugnahme auf die Achse des Gehäusemantels. In der Regel entspricht die Achse dieses Gehäusemantels einer Rotationsachse eines Rotors der Radialturbofluidenergiemaschine . Diese Rotationsachse ist in den meisten Fällen im Betrieb horizontal ausgerichtet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich die axial in der Wandung erstreckenden Sacklöcher auf der ersten Stirnseite des Gehäusemantels in Umfangsrichtung gegenüber der Achse konzentrisch auf einem ersten Durchmesser verteilen, wobei dieser erste Durchmesser größer ist als der mittlere Durchmesser der Wandung in dem Bereich, in dem die Wandstärke nicht verdickt ist. Auf diese Weise werden die In¬ nenfasern am Sitzdurchmesser des Deckels an dem Gehäuse entlastet .
Ein entscheidender Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein kürzeres und kompakteres Gehäuse bei gleicher Druckbelas¬ tung durch Innendruck möglich ist. Auf diese Weise können bei der Radialturbofluidenergiemaschine nach der Erfindung klei- nere Lagerabstände und eine stabilere Rotordynamik erzielt werden. Gleichzeitig findet eine Materialeinsparung mittels der Erfindung statt und neben den reduzierten Materialkosten werden der Transport und die Montage durch ein geringeres Ge¬ wicht der Maschine begünstigt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Gehäusemantel im axialen Bereich der verdickten Wandstärke eine erste Öffnung aufweist, die in einen ersten Druckstutzen mündet. Das Einmünden in den ersten Druckstutzen kann radial oder besonders bevorzugt tangential erfolgen, da¬ mit die Strömung möglichst verlustfrei aus dem angrenzenden Gehäuse in den ersten Druckstutzen geführt werden kann. Der erste Druckstutzen ist besonders bevorzugt derjenige von min- destens zwei Druckstutzen, der den höheren Druck im Betrieb der Radialturbofluidenergiemaschine ertragen muss. Dement¬ sprechend ist es zweckmäßig in diesen Fällen, den ersten Druckstutzen auch als Hochdruckstutzen zu bezeichnen.
Außerhalb des axialen Bereichs der verdickten Wandstärke ist es bevorzugt eine zweite Öffnung vorgesehen, die in einen zweiten Druckstutzen mündet. Dieser Druckstutzen ist bevorzugt der Druckstutzen, der gegenüber dem ersten Druckstutzen einen niedrigeren Druck im Betrieb zu ertragen hat. Dementsprechend ist es zweckmäßig in diesen Fällen, den zweiten Druckstutzen als Niederdruckstutzen zu bezeichnen. Bei einer Ausbildung der Radialturbofluidenergiemaschine als Radialtur¬ boverdichter ist der Hochdruckstutzen der Austrittsstutzen aus dem Gehäuse und der Niederdruckstutzen der Eintrittsstut¬ zen .
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be- schrieben.
Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein er- findungsgemäßes Gehäuse einer Radialfluidtur- boenergiemaschine,
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht ei¬ nes Ausschnitts des Gehäuses aus der Figur 1 im Bereich einer verdickten Wandstärke und ei- nes Hochdruckstutzens,
Figur 3 eine schematische perspektivische Ansicht ei¬ nes Gehäusemantels aus der Figur 1.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Längs- Schnitts durch ein erfindungsgemäßes Gehäuse CAS mit einem
Gehäusemantel CCV, das ausschnittsweise auch in Figur 2 per¬ spektivisch und dessen Gehäusemantel CCV vollständig perspektivisch schematisch in der Figur 3 wiedergegeben ist. Das erfindungsgemäße Gehäuse CAS weist einen
Gehäusemantel CCV auf, der sich entlang einer zentralen Achse X erstreckt und auf einer ersten Stirnseite CVSl eine axi- ale erste Öffnung HPO aufweist sowie auf einer zweiten gegen¬ überliegenden Stirnseite CVS2 eine axiale zweite Öffnung LPO aufweist. Die Öffnungen HPO, LPO auf den beiden axialen
Stirnseiten CVSl, CVS2 sind mittels eines ersten Deckels HPC bzw. eines zweiten Deckels LPC verschließbar ausgebildet. Der erste Deckel HPC ist von außen an dem Gehäusemantel CCV an¬ bringbar ausgebildet und wird mittels Fixierelementen FX an dem Gehäusemantel CCV befestigt, so dass es unter Zwischenla¬ ge einer nicht dargestellten Dichtung zu einer dichtenden Anlage kommt. Die in der Regel als Schrauben ausgebildeten Fi- xierelemente FX werden zur Befestigung des Deckels HPC in axiale Sacklöcher BH eingeschraubt, die in der Wandung W des Gehäusesmantels CCV jeweils stirnseitig vorgesehen sind.
Der zweite Deckel LPC ist von Innen in den Gehäusemantel ein- gelegt und dort in nicht dargestellter Weise fixiert. Ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Vorsprung PRO, der radial nach innen gerichtet an dem Gehäusemantel an der zweiten Öffnung LPO vorgesehen ist, befindet sich im Betrieb mit dem zweiten Deckel in dichtender Anlage.
Der Gehäusemantel CCV weist seitens der ersten axialen Stirnseite CVSl eine gegenüber dem übrigen Gehäusemantel CCV ver¬ dickte Wandstärke der Wandung W in einem Axialbereich auf. Die Sacklöcher BH seitens der ersten axialen Stirnseite CVSl befinden sich auf einem größeren Durchmesser über dem Umfang verteilt als der mittlere Durchmesser der Wandstärke seitens der zweiten axialen Stirnseite CVS2. Außerdem befinden sich die Sacklöcher BH seitens der ersten axialen Stirnseite CVSl in Umfangsrichtung verteilt gegenüber der Achse X konzentrisch auf einem größeren Durchmesser als der mittlere Durchmesser der Wandung in dem Bereich, in dem die Wandstärke nicht verdickt ist. Auf diese Weise werden die Innenfasern am Sitzdurchmesser des ersten Deckels HPC an dem Gehäuse CAS entlastet .
Der axiale Bereich der verdickten Wandstärke der Wandung W erstreckt sich ausgehend von der Stirnseite über den gesamten axialen Bereich der ersten Öffnung Ol des ersten Stutzens CF1 bzw. Hochdruckstutzens CHP.
Der Gehäusemantel CCV weist eine erste Öffnung Ol und eine zweite Öffnung 02 auf. Die zweite Öffnung 02 mündet in einen zweiten Druckstutzen CF2, der im Falle der Ausbildung des Gehäuses CAS für einen Radialturbokompressor RTC einen Eintrittsstutzen bildet, der gegenüber einem Austrittsstutzen bzw. ersten Druckstutzen CF1 bzw. Hochdruckstutzen CHP auf der axial gegenüberliegenden Seite und bevorzugt der radial gegenüberliegenden Seite - also im Wesentlichen diametral gegenüberliegend - einen niedrigeren Druck im Betrieb ertragen muss . Bevorzugt mündet der zweite Druckstutzen CF2 im Wesentlichen radial in das Gehäuse CAS bzw. dem Gehäusemantel CCV hin¬ sichtlich der Achse X ein. Der erste Druckstutzen CF1 bzw. Hochdruckstutzen CHP weist einen geringeren Eintrittsdurchmesser als der Niederdruckstutzen CLP auf und mündet bevor- zugt nicht rein radial in den Gehäusemantel CCV ein, sondern zumindest etwas mehr tangential.
Die verdickte Wandstärke der Wandung W des Gehäusemantels CCV ist derart ausgebildet, dass der Gehäusemantel CCV im Bereich der verdickten Wandstärke einen größeren Außendurchmesser hat und der Innendurchmesser im Bereich der verdickten Wandstärke der Wandung W gegenüber dem axial nicht verdickten Bereich im Wesentlichen den gleichen mittleren Durchmesser aufweist. Bevorzugt ist der Gehäusemantel CCV als geschmiedetes Bauteil ausgebildet, wobei die Bereiche der unterschiedlichen Wand¬ stärken mittels einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden Schweißnaht WD miteinander verbunden sein können. Alternativ ist eine Ausbildung des Gehäusemantels CCV als Gussbauteil oder als gestuftes Schmiedebauteil möglich.

Claims

Patentansprüche
Gehäuse (CAS) einer Radialturbofluidenergiemaschi- ne (RFM) mit einem Gehäusemantel (CCV) , gebildet von einer rohrförmigen Wandung (W) , der sich entlang einer Achse (X) erstreckt und dessen mindestens eine erste axiale Stirnseite (CVS1) eine erste Öffnung (HPO) auf¬ weist,
wobei die erste Öffnung (HPO) mittels eines ersten De¬ ckels (HPC) verschließbar ausgebildet ist,
wobei der erste Deckel (HPC) mittels Befestigungsele¬ menten (FX) dichtend an dem Gehäusemantel (CCV) anbringbar ist,
dadurch gekennzeichnet dass,
der Gehäusemantel (CCV) seitens der ersten axialen Stirnseite (CVS1) mit einer gegenüber dem übrigen
Gehäusemantel (CCV) verdickten Wandstärke der Wan¬ dung (W) ausgebildet ist und die Wandung (W) stirnsei¬ tig mit sich axial in der Wandung (W) erstreckenden Sacklöchern (BH) versehen ist, in welchen die Befestigungselemente (FX) befestigbar sind.
Gehäuse nach Anspruch 1,
wobei der Gehäusemantel (CCV) im axialen Bereich der verdickten Wandstärke eine erste Öffnung (Ol) aufweist, die in einen ersten Druckstutzen (CF1) mündet.
Gehäuse nach Anspruch 2,
wobei der erste Druckstutzen (CF1) ein Austrittsstut zen (CHP) eines Radialturboverdichters (RTC) ist.
4. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gehäusemantel (CCV) außerhalb des axialen Be¬ reichs der verdickten Wandstärke eine zweite Öff¬ nung (02) aufweist, die in einen zweiten Druckstut¬ zen (CF2) mündet.
5. Gehäuse nach Anspruch 4,
wobei der zweite Druckstutzen (CF2) ein Eintrittsstut¬ zen eines Radialturboverdichters (RTC) ist.
6. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Gehäusemantel (CCV) an einer zweiten axialen Stirnseite eine zweite Öffnung (LPO) aufweist, wobei die zweite Öffnung (LPO) mittels eines zweiten De¬ ckels (LPC) verschließbar ausgebildet ist.
7. Radialturbofluidenergiemaschine (RTM) , insbesondere Ra¬ dialturboverdichter (RTC) , umfassend ein Gehäuse (CAS) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.
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