RÜCKFÜHRSTUFE EINES MEHRSTUFIGEN TURBOVERDICHTERS ODER
TURBOEXPANDERS MIT RAUEN WANDOBERFLÄCHEN
Bei Radialturbofluidenergiemaschinen, insbesondere bei radialen Turboverdichtern wird Prozessfluid von einem Impeller oder Laufrad axial angesaugt und radial beschleunigt ausgege¬ ben. Bei einer mehrstufigen Bauweise übernimmt eine sogenannte Rückführstufe die Zuführung des stromaufwärts von dem Impeller ausgegebenen Prozessfluids zu einem weiter stromabwärts gelegenen weiteren Laufrad. Hierbei hat diese
Rückführstufe nicht nur die Funktion, das Prozessfluid aus der Strömungsrichtung nach radial außen umzulenken in eine axiale Strömungsrichtung und dem weiteren Laufrad zuzuführen, sondern auch zumindest abschnittsweise die Strömung des Pro- zessfluids zu verzögern und auf diese Weise nach Bernulli den Druck zu erhöhen. Die Rückführstufe wird hierbei gleichzeitig regelmäßig als Diffusor in einem nach radial außen gerichte¬ ten Strömungspfad und auch als Konfusor in einem radial nach innen gerichteten Strömungspfad bei der Zuleitung des Prozessfluids zu dem weiteren Laufrad ausgebildet. Die
Rückführstufe ist relativ zu den Laufrädern unbewegt und re¬ gelmäßig verändern in der Rückführstufe vorgesehene Leit¬ schaufeln den Drall und damit die Strömungsrichtung des Pro- zessfluids zur Vorbereitung auf den nachfolgenden Eintritt in die nachfolgende Verdichtung. Diese anspruchsvolle aerodyna¬ mische Aufgabe der Rückführstufe erfordert eine sorgfältige strömungstechnische Gestaltung zur Minimierung von Druckverlusten und zur Wirkungsgradoptimierung. Dennoch entstehen bei der Durchströmung von radialen Diffusoren und Konfusoren der Rückführstufe an den strömungsbenetzten Oberflächen reibungsbedingte und dem Grunde nach unvermeidbare Druckverluste, die den Wirkungsgrad der Turbomaschine reduzieren. Bei gegebenen Betriebsbedingungen hinsichtlich Gasart, Druck und Temperatur, sind die lokalen reibungsbedingten Druckverluste abhängig von der lokalen Strömungsgeschwindigkeit sowie der loka¬ len Rauheit oder Rauigkeit der Strömungsbenetzen Oberfläche. In der Regel treten große Druckverluste dort auf, wo die lo-
kalen Strömungsgeschwindigkeiten und gleichzeitig die lokalen Rauheiten der überströmten Oberflächen groß sind.
Aus der EP 1 433 960 Bl ist es bereits bekannt, die strö- mungsführenden Bauteile mittels einer Polierbearbeitung soweit zu glätten, dass der Gesamtwirkungsgrad des Verdichters sich erhöht. Üblicherweise wird für die strömungsbenetzten Oberflächen im radialen Diffusor oder Konfusor eine einheitliche maximale Rauheit (z. B. RZ12) gefordert, insbesondere dann, wenn diese Oberflächen aus einem Bauteil beziehungswei¬ se in einem Fertigungsgang hergestellt werden. Dieses auch in der EP 1 433 960 Bl vorgeschlagenen Vorgehen beschert zusätzlichen Arbeitsaufwand und führt zu erheblichen Mehrkosten. Die Erfindung hat es sich ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik zur Aufgabe gemacht, die Oberfläche der strömungsführenden Bereiche der Rückführstufe derart zu ge¬ stalten, dass gegenüber den bekannten Lösungen ein reduzierter oder gegebenenfalls gleichbleibender Herstellungsaufwand bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad des Turboverdich¬ ters .
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine
Rückführstufe der eingangs definierten Art mit den zusätzli- chen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhal¬ ten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Begriffe, wie axial, tangential, radial oder Umfangsrichtung beziehen sich stets - wenn nicht anders angegeben - auf eine Rotationsachse des radialen Turboverdichters. Bei der erfin¬ dungsgemäßen Rückführstufe handelt es sich um ein sich ringförmig um die Rotationsachse erstreckendes Bauteil. Dieses Bauteil kann in Umfangsrichtung geteilt oder ungeteilt ausge- bildet sein. Bevorzugt ist eine in Umfangsrichtung geteilte Ausbildung vorgesehen, damit eine Teilfuge der Rückführstufe oder der Rückführstufen entsteht, die ein Trennen des Rotors ohne ein Zerlegen des Rotors bei geteilter Rückführstufe er-
möglicht. Grundsätzlich ist auch eine in Umgangsrichtung ungeteilte Ausbildung der Rückführstufe denkbar, insbesondere bei einem axial zerlegbaren Rotor. Im Zusammenhang dieser Erfindung bedeutet Rauheit stets - wenn nicht anders angegeben - die Mittlere Rautiefe Rz in
[ym] nach DIN EN ISO 4287:1998.
Die Rückführstufe ist in der Regel axial geteilt ausgebildet, wobei ein Schaufelboden den radial nach außen geführten Ast des Strömungskanals von einem radial nach innen geführten Ast stromabwärts der 180 ° -Umlenkung der Strömung trennt und die¬ ser Schaufelboden an einen Zwischenboden der Rückführstufe angebracht ist, wobei der Zwischenboden einerseits der Strö- mungsführung in der Rückführstufe dient und andererseits der Befestigung der Rückführstufe an den sonstigen Bauelementen des Turboverdichters, beispielsweise an einem Innengehäuse oder an einem ein Innenbündel des Turboverdichters zusammen¬ fassenden Träger.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Strömungskanal der Rückführstufe gedanklich in die folgenden Abschnitte aufgliedern lässt. Ein erster Abschnitt erstreckt sich radial und weist eine ra¬ diale Öffnung zu einem stromaufwärts angeordneten Impeller an einem ersten Ende des ersten Abschnitts auf.
Ein zweiter Abschnitt grenzt mit einem ersten Ende des zwei- ten Abschnitts an dem zweiten Ende des - im Falle des Turbo¬ verdichters stromaufwärts angeordneten - ersten Abschnitts an und die Strömung wird um etwa 180° von einer Radialrichtung in die entgegengesetzte Radialrichtung umgelenkt. Ein dritter Abschnitt, der im Wesentlichen radial verläuft, grenzt mit einem ersten Ende an einem - im Falle des Turbo¬ verdichters stromaufwärts angeordneten - zweiten Ende des zweiten Abschnitts an.
Ein vierter Abschnitt grenzt radial mit einem ersten Ende des vierten Abschnitts radial an einem zweiten Ende des - im Fal¬ le des Turboverdichters stromaufwärts angeordneten - dritten Abschnitts an. Der vierte Abschnitt lenkt die Strömung um et¬ wa 90° in axiale Richtung um und mit einem zweiten Ende des vierten Abschnitts weist er eine axiale Öffnung zu dem zwei¬ ten stromabwärts angeordneten Impeller auf. In diesen Abschnitten sind bevorzugt nach der Erfindung die rauen Bereiche an verschiedenen Positionen, im Folgenden im Einzelnen angegeben, vorgesehen.
Bevorzugt ist ein erster rauer Bereich im ersten Abschnitt auf derjenigen axialen Begrenzungsoberfläche angeordnet ist, die axial von dem dritten Abschnitt weiter entfernt ist als die andere axiale Begrenzungsoberfläche.
Bevorzugt ist ein zweiter rauer Bereich auf der radial inne- ren Begrenzungsoberfläche des zweiten Abschnitts beginnend an dem zweiten Ende des zweiten Abschnitts sich zwischen 30% bis 70% der Erstreckung entlang des Strömungskanals sich erstre¬ ckend angeordnet. Bevorzugt ist ein dritter rauer Bereich direkt an den zweiten rauen Bereich im dritten Abschnitt angrenzend und sich zwischen 5% bis 40% entlang des Strömungskanals erstreckend vor¬ gesehen . Bevorzugt befindet sich ein vierter rauer Bereich im vierten Abschnitt auf der radial äußeren Begrenzungsoberfläche.
Eine bevorzugt Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die rauen Bereiche sich jeweils über den gesamten Umfang des Strömungskanals erstrecken.
Wenn die Radialturbofluidenergiemaschine ein Turboverdichter ist, durchströmt ein Prozessfluid die Abschnitte in der Rei-
henfolge erster Abschnitt, zweiter Abschnitt, dritter Ab¬ schnitt, vierter Abschnitt.
Wenn die Radialturbofluidenergiemaschine ein Turboverdichter ist durchströmt ein Prozessfluid die Abschnitte in der Rei¬ henfolge vierter Abschnitt, dritter Abschnitt, zweiter Ab¬ schnitt, erster Abschnitt.
Sinnvoll kann der erste Abschnitt des Strömungskanals Leit- schaufeln aufweisen, um die Strömung auf die stromabwärts gegebenen Bedingungen auszurichten.
Zweckmäßig weisen die rauen Bereiche eine mittlere Rauheit 20ym < Rz, besonders bevorzugt 30ym < Rz auf.
Bevorzugt weisen die nicht rauen Bereiche eine mittlere Rau¬ heit 20ym > Rz, besonders bevorzugt 10ym > Rz auf.
In den Fällen, wo die lokale Strömungsgeschwindigkeit nicht sinnvoll an eine gegebene lokale Oberflächen- Rauheit ange- passt werden kann, um die reibungsbedingten Druckverluste möglichst klein zu halten, soll nach der Erfindung umgekehrt die lokale Oberflächenrauigkeit an die lokale Strömungsge¬ schwindigkeit angepasst werden. Die Bereichs-spezifische Rau- heit der Oberfläche nach der Erfindung sieht vor, dass im Be¬ reich hoher Strömungsgeschwindigkeiten die strömungsbenetze Oberfläche mit kleinerer Rauheit ausgeführt wird als im Be¬ reich kleinerer Strömungsgeschwindigkeiten. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass die Rückführstufe einen beschaufelten radialen Diffusor oder im Fall der Radialturbine einen beschaufelten radialen Konfusor aufweist . Eine andere bevorzugte Anwendung der Erfindung sieht vor, dass die Rückführstufe einen schaufellosen radialen Diffusor oder im Fall der Radialturbine einen schaufellosen radialen Konfusor aufweist.
Das Geschwindigkeitsniveau im radialen Diffusor beziehungs¬ weise im radialen Konfusor ist am Ringrauminnendurchmesser - also am Laufradaußendurchmesser - am höchsten und nimmt mit zunehmendem Radius - also nach außen hin - ab. Gleichzeitig wird die strömungsbenetze zu bearbeitende Oberfläche der Ringraumwände mit dem Radius größer. Durch das erfindungsge¬ mäß bereichsweise Anpassen der Rauheit an das lokale Strö¬ mungsgeschwindigkeitsniveau der strömungsbenetzten Oberflä- chen in radialen Diffusoren und Konfusoren werden die reibungsbedingten Druckverluste reduziert, ohne notwendigerweise die Herstellkosten der Bauteile zu erhöhen. Dies ist insbe¬ sondere deswegen erreicht, weil dem erhöhten Aufwand einer kleineren Rauheit auf kleiner Fläche im Bereich hoher Strö- mungsgeschwindigkeiten ein verringerter Aufwand mit größerer zulässiger Rauheit auf großer Fläche im Bereich kleinerer Strömungsgeschwindigkeiten gegenübersteht .
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Turboverdichter gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Rückführstufe RS von einem ersten Impeller IMP1 zu einem zweiten Impeller IMP2 eines Turboverdichters TCO. Die beiden Impeller IMP1, IMP2 sind Bestandteile eines Ro¬ tors R, wobei die Impeller IMP1, IMP2 kraftschlüssig auf ei¬ ner sich entlang einer Achse X erstreckenden Welle SH angebracht sind. Der Rotor R ist von strömungsführenden stehenden Bauteilen umgeben, von denen hier eine Rückführstufe RS dar- gestellt ist. Eine mehrstufige Turbomaschine umfasst in der
Regel mehrere Rückführstufen RS, die in Strömungsrichtung betrachtet von einem ersten Impeller IMP1, der im Falle des Turboverdichters TCO ein Prozessfluid PF axial ansaugt und
radial ausgibt, das Prozessfluid PF im Anschluss an eine ra¬ diale Diffusorstrecke um 180° umlenkt und zurück nach radial innen führt und anschließend in axiale Richtung umlenkt, um das Prozessfluid PF dem zweiten stromabwärts gelegenen
Impeller IMP2 zuzuführen.
Die Rückführstufe umfasst in der Regel einen Schaufelboden SB und einem Zwischenboden ZB, die mittels Leitschaufeln V einen Strömungskanal zwischen sich ausbildend fest miteinander ver- bunden sind. In der Regel sind die Rückführstufen RS in Um- fangsrichtung geteilt ausgebildet, so dass eine Teilung der Rückführstufe in einer Teilfuge die Entnahme des Rotors aus der Struktur der Rückführstufen ermöglicht. Der Rotor wird bei der Montage radial eingelegt beziehungsweise bei der De- montage radial enthoben.
Die Rückführstufen RS weisen zu dem Rotor R an verschiedenen Stellen Wellendichtungen SHS auf, die den ungenutzten Abbau von Druckdifferenzen beziehungsweise Beipassströmungen im Be- trieb verhindern sollen.
Der von dem ersten Impeller IMP1 zu dem zweiten Impeller IMP2 sich erstreckende Strömungskanal CH ist zum Zwecke der Defi¬ nition der Erfindung gedanklich in vier aufeinanderfolgende, im Falle des Turboverdichters TCO in Strömungsrichtung hin¬ tereinander angeordnete, Abschnitte Sl, S2, S3, S4 unterglie¬ dert. Im Falle des Turboexpanders ist die Nummerierung dieser Abschnitte S1-S4 entgegen der Strömungsrichtung. Der erste Abschnitt Sl erstreckt sich im Wesentlichen radial und weist eine radiale Öffnung zu dem ersten Impeller IMP1 an einem ersten Ende S1E1 des ersten Abschnittes Sl auf. Der zweite Abschnitt S2 grenzt mit einem ersten Ende S2E1 des zweiten Abschnitts S2 an einem zweiten Ende S1E2 des ersten Abschnitts Sl an und lenkt die Strömung durch den Kanal CH um etwa 180° von einer Radialrichtung in die entgegengesetzte
Radialrichtung um. Im Falle des Turboverdichters TCO wird die Strömung von radial nach außen gerichtet umgelenkt in eine Richtung nach radial innen. An dem zweiten Abschnitt S2
schließt sich der dritte Abschnitt S3 mit einem ersten En¬ de S3E1 des dritten Abschnitts S3 angrenzend an dem zweiten Ende S2E2 des zweiten Abschnitts S2 an. Dieser Abschnitt ver¬ läuft im Wesentlichen radial und führt im Falle des Turbover- dichters TCO die Strömung von radial weiter außen nach radial weiter innen. Der vierte Abschnitt grenzt radial mit einem ersten Ende S4E1 des vierten Abschnitts S4 radial an einem zweiten Ende S3E2 des dritten Abschnitts S3 an und lenkt die Strömung um etwa 90° in Richtung des zweiten Impellers IMP2 um. Ein zweites Ende S4E2 des vierten Abschnitts S4 grenzt an den zweiten Impeller IMP2 an.
Ein erster rauer Bereich RZ1 befindet sich im ersten Abschnitt Sl auf derjenigen axialen Begrenzungsoberfläche, die axial von dem dritten Abschnitt S3 weiter entfernt ist als die andere axiale Begrenzungsoberfläche.
Ein zweiter rauer Bereich RZ2 befindet sich auf der radial inneren Begrenzungsoberfläche des zweiten Abschnitts S2 be¬ ginnend an dem zweiten Ende S2E2 des zweiten Abschnitts S2. Dieser zweite raue Bereich RZ2 erstreckt sich zwischen 30%- 70% der Erstreckung entlang des Strömungskanals des zweiten Abschnitts S2.
Ein dritter rauer Bereich RZ3 grenzt direkt an dem zweiten rauen Bereich RZ2 im dritten Abschnitt S3 an und erstreckt sich zwischen 5%-40% entlang des Strömungskanals CH im drit¬ ten Abschnitt S3.
Ein vierter rauer Bereich RZ4 erstreckt sich im vierten Abschnitt S4 auf der radial äußeren Begrenzungsoberfläche. Grundsätzlich ist es denkbar, dass von den vier rauen Bereichen RZ1-RZ4 nicht alle oder nur ein einziger rauer Bereich zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Turbomaschine TCO vor¬ gesehen ist. Der höchste Wirkungsgradgewinn wird durch die vollständige Implementierung der rauen Bereiche RZ1-RZ4 nach der Erfindung und gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erreicht. Grundsätzlich ist es denkbar, dass von den Begrenzungsoberflächen SFA des Strömungskanals CH die rauen Berei¬ che RZ1-RZ3 extra aufgeraut gestaltet sind oder die sonstigen
Bereiche der Begrenzungsoberfläche SFA gegenüber den rauen Bereichen RZ1-RZ4 mit einer niedrigeren Oberflächenrauigkeit versehen werden, beispielsweise mittels Polierens. Daneben ist es auch denkbar, dass sowohl ein Aufrauen der rauen Bereiche RZ1-RZ4 und ein Polieren der sonstigen Begrenzungsoberflächen SFA vorgesehen wird, um den erfindungsmäßen Effekt zu erzielen.