DE19858700A1

DE19858700A1 - Vorrichtung zum Weiterleiten eines Fluids zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen einer mehrstufigen Zentrifugalturbomaschine

Info

Publication number: DE19858700A1
Application number: DE19858700A
Authority: DE
Inventors: Duc Jean-Michel Nguyen; Philippe Geai; Jean-Marie Duchemin
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 1999-06-24
Also published as: US6220816B1; ITTO981055A1; CN1122760C; CN1221078A; RU2216648C2; JP4510167B2; JP2010031879A; FR2772843A1; FR2772843B1; IT1303605B1; JPH11257272A; ITTO981055A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Weiterleiten eines Fluids zwischen zwei aufeinanderfol genden Stufen einer mehrstufigen Zentrifugalturbomaschine mit einer Statoreinheit mit mehreren Rücklaufkanälen, die die Fluidströmung aufnehmen, die mit großer Geschwindigkeit aus einem Zentrifugenrad einer Stufe der Turbomaschine kommt, um diese Strömung wiederherzustellen, abzubremsen und zum Ein gang eines anderen Zentrifugenrades einer benachbarten Stufe der Turbomaschine weiterzuleiten.

In Fig. 3 ist ein Beispiel einer bekannten mehrstufigen Tur bopumpe dargestellt, die bei kryotechnischen Raketenmotoren unter dem Namen Vulcain verwendet werden und zur Versorgung dieser Motoren mit flüssigem Wasserstoff dienen. Die Turbo pumpe nach Fig. 3 umfaßt in einem Gehäuse 301, 302 eine Zen trifugalpumpe mit zwei Stufen, die jeweils ein Rad 305, 355 mit Schaufeln 306, 356, die mit einer gemeinsamen zentralen Welle 322 verbunden sind, die sich dreht. Eine Feldspule 331 mit guten Eigenschaften in bezug auf Gebläsewirkung und hohe Drehgeschwindigkeiten in der Ordnung von 35 000 U/min wird am Eingang der Pumpe in der Versorgungsleitung des Arbeitsfluids angeordnet. Die Turbinenelemente 332, 333, die mit einem Fluß heißer Gase angetrieben werden, die durch einen Torus 334 eingeführt werden, sind mit der zentralen Welle 322 verbun den, um diese und die Räder 305, 355 mitzureißen, und sind am Ende der zweiten Stufe der Pumpe angeordnet.

Die zentrale Welle 322 wird durch Wälzlager 323 und 324 ge tragen, die jeweils vor und hinter der Einheit angeordnet sind, die aus zweistufiger Pumpe und Turbine besteht. Die Be zugsziffern 310 und 304 bezeichnen jeweils die Verbindungs leitungen zwischen dem Ausgang der ersten Pumpstufe und dem Eingang der zweiten Pumpstufe, und die Förderleitung für das Arbeitsfluid am Ausgang der zweiten Stufe der Pumpe, wobei am Eingang der torischen Förderleitung ein Leitrad 307 angeord net ist.

Die Verbindungsleitungen 310 befinden sich in einem Stator zwischen den Stufen und haben einen dreiteiligen Aufbau, näm lich ein radiales Leitrad 308 mit dicht anliegenden Schau feln, einen Rückführkrümmer 309, der nicht mit Schaufeln ver sehen ist, und einen zentripetalen Leitapparat 311 mit Rück führschaufeln. Diese Lösung hat ein gutes hydraulisches Ver halten unter der Bedingung, daß das radiale Leitrad 308 aus reichend groß ist, was zu großen radialen Ausmaßen führt. Die Verluste, die durch ein abruptes Ändern des Querschnitts am Ausgang des radialen Leitrades 308 und durch den Eintritt am Eingang des zentripetalen Leitapparates 311 auftreten, sind schwer zu kontrollieren. Damit eine ausreichende Effizienz erreicht wird, muß das Leitrad 308 daher eine große Ausdeh nung in radialer Richtung der Maschine aufweisen. Der Krümmer ohne Schaufel 309 nimmt nicht an der tangentialen Reduzierung der Geschwindigkeit teil, und trägt auch nicht zu der mecha nischen Stabilität bei. Der Leitapparat 311 erfordert seiner seits, daß er in bezug auf den Eintritt korrekt verkeilt ist. Daraus folgt, daß die Herstellung von Verbindungsleitungen gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3 sich als relativ kom plex erwiesen hat und es nicht zuläßt, daß man einen optima len Grad an Kompaktheit erreicht.

Der Stator zwischen den Stufen, der die Strömung auffängt, die mit großer Geschwindigkeit von einem ersten Zentrifugal rad kommt, um sie wiederherzustellen, abzubremsen und sie zum Eingang des zweiten Rades zu leiten, stellt ebenso eines der Hauptelemente des Aufbaus einer mehrstufigen Turbomaschine (Zentrifugalpumpe oder Zentrifugalkompressor) dar und be stimmt den radialen und axialen Umfang dieser Turbomaschine.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Nachteile zu überwinden und es zu ermöglichen, eine Vorrich tung zum Weiterleiten eines Fluids zwischen Stufen zu ermög lichen, wodurch eine optimale Steuerung der Strömung entlang ihrer Trajektorie sichergestellt wird, wobei insbesondere ein begrenzter Umfang in radialer Richtung und eine einfache Her stellung gegeben sein soll sowie mechanische Einschränkungen reduziert werden sollen.

Diese Ziele werden mit einer Vorrichtung zum Weiterleiten ei nes Fluids zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen einer mehrstufigen Turbozentrifugalmaschine erreicht, die mit einer Statoreinheit mit mehreren Rücklaufkanälen ausgestattet ist, die die Strömung des Fluids, das mit großer Geschwindigkeit von einem Turborad einer Stufe der Turbomaschine kommt, auf fangen, um diese Strömung wiederherzustellen, abzubremsen und zum Eingang eines weiteren Turborades einer weiteren benach barten Stufe der Turbomaschine zu leiten, die dadurch gekenn zeichnet ist, daß jeder der Rückführkanäle gebildet ist aus einem individuellen, kontinuierlichen, profilierten, röhren förmigen Element, daß ein erster kontinuierlicher Rückführka nal definiert ist durch Parameter und Normalen auf einer Mit tellinie in einer vorgegebenen Ebene P₁P₂P₃, die die Achse O_z der Turbomaschine enthält, wobei die Mittellinie einen ersten geraden Abschnitt, einen zweiten kreisbogenförmigen Abschnitt mit Radius R_CO2 und einen dritten geraden Abschnitt aufweist, und daß die unterschiedlichen Rückführkanäle identisch sind und sich einer aus dem anderen durch eine Drehung um die Ach se der Turbomaschine ergeben.

Vorzugsweise umfaßt die Mittellinie des ersten Rückführkanals außerdem einen vierten Teil, der einen großen Radius R_CO1 auf weist, der in entgegengesetzte Richtung zu dem des zweiten Krümmungsteils gerichtet ist, so daß die Ausrichtung der Mit tellinie mit der Achse der Turbomaschine zur Deckung gebracht wird.

Ein kontinuierlicher Rückführkanal gemäß der Erfindung er laubt es, die Strömung entlang ihrer Trajektorie zu steuern.

Die Identifizierung einer Mittellinie, die in einer Ebene liegt, erlaubt es, den Aufbau und die Herstellung eines Ka nals zu vereinfachen, indem eine relativ einfache Beschrei bung und Analyse von Kanalformen ermöglicht wird, die eine minimale Ausdehnung und eine optimierte Funktion des Kanals garantieren, insbesondere indem abrupte Richtungsänderungen vermieden werden und indem die Verteilung der Strömung im Hautteil in den geraden Abschnitten beiderseits des Ablenk krümmers erfolgt.

Genauer gesagt ist die Mittellinie des ersten kontinuierli chen Rückführkanals in einer vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃) durch einen ersten Punkt P₁, einen zweiten Punkt P₂ und einen drit ten Punkt P₃ enthalten, so daß sich der erste und zweite Punkt P₁, P₂ in einer Ebene senkrecht zur Achse der Turboma schine befinden, sich der zweite und dritte Punkt P₂, P₃ in einer Ebene, in der die Achse der Turbomaschine enthalten ist, befinden, die Position des ersten Punktes P₁ so bestimmt ist, daß er einem Abstand entspricht, der zwischen dem Ein gang des ersten Kanals und dem Ausgang des gegenüberliegenden Zentrifugalrades eingehalten wird, und die Richtungen des Vektors P₁P₂, der durch den ersten und zweiten Punkt, P₁, P₂ definiert ist, und des Vektors P₂P₃, der durch den zweiten und dritten Punkt P₂, P₃ definiert ist, die jeweils der Rich tung des ersten geraden Abschnittes und des dritten geraden Abschnittes der Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rück führkanals entsprechen.

Bei einer Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid gemäß der Erfindung weist der axiale, begrenzende Endabschnitt der kon tinuierlichen Rückführkanäle keine Schaufeln auf.

Man vermeidet so die Bildung von Sekundärströmungen an der Wandung, die zu Störungen in der Strömung am Eingang des zweiten Rades führen.

Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung sind die Quer schnitte senkrecht zu der Mittellinie des ersten kontinuier lichen Rückführkanals durch ihren Flächeninhalt, Formfaktoren A, B und m und durch den Orientierungswinkel α zwischen der lokalen Achse des Querschnitts und der Normalen in der vor gegebenen Ebene (P₁P₂P₃) definiert.

Zum Beispiel ist die Form der Querschnitte senkrecht zu der Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rückführkanals defi niert durch die Formel

wobei A, B und m Parameter sind, die Formfaktoren darstellen.

Die kontinuierlichen Rückführkanäle gemäß der Erfindung eig nen sich besonders gut für eine parametrische Beschreibung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Mittellinie ei nes kontinuierlichen Rückführkanals in der vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃) definiert durch die folgenden Parameter:
R₀ = mittlerer Radius der Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid zur Eingangsöffnung des kontinuierlichen Rück führkanals,
β₀ = Winkel der Mittellinie des Kanals zu der Eingangsöff nung in bezug auf die Tangente an den Kreis, der durch den mittleren Radius R₀ definiert ist,
b₀ = Breite des kontinuierlichen Rückführkanals zu der Ein gangsöffnung,
R₂h = Radius der Nabe am Eingang der anderen Rades gegenüber dem Ausgang des kontinuierlichen Rückführkanals,
R₂t = Radius des Gehäuses am Eingang des anderen Rades,
l_c = axiale Ausdehnung des kontinuierlichen Rückführkanals,
R_CO1 = Krümmungsradius des vierten Krümmungsabschnitts der Mittellinie,
R_CO2 = Krümmungsradius des zweiten Krümmungsabschnitts der Mittellinie,
ϕ_m = Neigungswinkel der Mittellinie des kontinuierlichen Rückführkanals in eine Meridianebene der Turbomaschi ne,
l_ax = axialer Abstand zwischen dem Krümmungszentrum des vierten Krümmungsabschnitts der Mittellinie und dem Ausgang des kontinuierlichen Rückführkanals.

Um die Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rückführkanals zu bestimmen, wird ein absolutes Referenzsystem (O_xyz) defi niert, so daß O_z der Achse der Turbomaschine entspricht, O_x parallel zur Achse des ersten geraden Abschnittes der Mittel linie ist und der Ursprung O der Achse O_z der Ebene des Ge häuses am Eingang des ersten kontinuierlichen Rückführkanals entspricht, die Koordinaten des ersten, zweiten und dritten Punktes P₁, P₂, P₃ derart festgelegt sind, daß sie die vorge gebene Ebene P₁P₂P₃ definieren, und spezielle Punkte L₁, L₂, L₅, L₆, L₇ der Mittellinie derart festgelegt sind, daß der spezielle Punkt L₁ der Eintrittsöffnung entspricht, der spe zielle Punkt L₂ dem Übergang zwischen dem geraden Abschnitt und dem gekrümmten zweiten Abschnitt entspricht, der speziel le Punkt L₅ dem Übergang zwischen dem zweiten gekrümmten Ab schnitt und dem dritten geraden Abschnitt entspricht, der spezielle Punkt L₆ dem Ende des dritten geraden Abschnittes und dem Ausgangs des kontinuierlichen Rückführkanals ent spricht und der spezielle Punkt L₇ dem Eingang des anderen Turborades in einer gemeinsamen Zone entspricht, die durch zwei axial-symmetrische Oberflächen beschränkt ist, die ge bildet werden durch die Nabe und das Gehäuse am Eingang des anderen Rades.

Des weiteren ist der Flächeninhalt der Querschnitte, die senkrecht zu der Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rückführkanals stehen, am speziellen Punkt L₁ in Abhängigkeit von Dimensionen der Eintrittsöffnung des kontinuierlichen Rückführkanals und am speziellen Punkt L₇ in Abhängigkeit des Radius R₂h der Nabe und des Radius R₂t des Gehäuses am Ein gang des anderen Rades so definiert, daß der Flächeninhalt der Querschnitte, die senkrecht zu der Mittellinie in dem zweiten gekrümmten Abschnitt stehen, konstant ist und in etwa gleich dem Doppelten des Flächeninhalts des Querschnittes am speziellen Punkt L₁, und daß in dem ersten geraden Abschnitt und in dem dritten geraden Abschnitt der Flächeninhalt von den Querschnitten, die senkrecht zu der Mittellinie stehen, sich linear entlang der Mittellinie entwickelt.

In einer weiteren Ausführungsform ist an jedem Punkt der Mit tellinie eines kontinuierlichen Rückführkanals, der in der vorgegebenen Ebene P₁P₂P₃ liegt, die Richtung des sich entwickelnden Querschnitts lokal definiert durch den Winkel α zwi schen der lokalen Achse e, dem Querschnitt und der Normalen b zur vorgegebenen Ebene P₁P₂P₃, die die Mittellinie enthält, daß der Winkel α einen Wert zwischen 30 und 35° an den spe ziellen Punkten L₁ und L₆ hat und einen Wert von Null bei den speziellen Punkten L₂ und L₅, und daß der Winkel α sich line ar zwischen den aufeinanderfolgenden speziellen Punkten L₁ und L₂, L₂ und L₅ und L₅ und L₆ entwickelt.

Der erweiterbare Querschnitt eines kontinuierlichen Rückführ kanals ist an den besonderen Punkten L₁ und L₆ quasi rechteckig und ist an den besonderen Punkten L₂ und L₅ elliptisch.

Die Vorrichtung zum Weiterleiten von einem Fluid gemäß der Erfindung kann zwischen 8 und 15 individuelle kontinuierliche Rückführkanäle umfassen.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von besonderen Ausführungsfor men, die Beispiele darstellen, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen:

Fig. 1 einen axialen Halbschnitt eines Beispiels einer Zen trifugalturbopumpe mit mehreren Stufen und hoher Leistung ge mäß der Erfindung zeigt, die mit einer Statorvorrichtung zwi schen den Stufen zum Weiterleiten von Fluid ausgestattet ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Einheit von indivi duellen kontinuierlichen Rückführkanälen einer Statorvorrich tung zum Weiterleiten von Fluid gemäß der Erfindung zeigt,

Fig. 3 eine Ansicht eines axialen Schnittes durch eine Zen trifugalturbopumpe mit mehreren Stufen und hoher Leistung zeigt, die mit einer bekannten Statorvorrichtung zum Weiter leiten von Fluid zwischen zwei Stufen der Turbopumpe ausge stattet ist,

Fig. 4 ein Diagramm ist, das in einem räumlichen Bezugssystem eine mittlere Linie eines kontinuierlichen Rückführkanals ei ner Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid gemäß der Erfin dung zeigt,

Fig. 5 eine Ansicht ist, die die Positionierung im Raum von Eingängen der Rückführkanäle einer Vorrichtung gemäß der Er findung zeigt,

Fig. 6 eine Ansicht ist, die ein Beispiel des Querschnitts eines kontinuierlichen Rückführkanals gemäß einer erfindungs gemäßen Vorrichtung zeigt,

Fig. 7, 8 und 9 Projektionen der Mittellinie aus Fig. 4 in unterschiedliche Raumebenen zeigen,

Fig. 10 eine Ansicht der Mittellinie aus Fig. 4 in der Ebene darstellt, die diese Mittellinie enthält,

Fig. 11 ein Diagramm ist, das ein Beispiel für die Entwick lung des Flächeninhalts des Querschnittes eines kontinuierli chen Rückführkanals entlang der Mittellinie dieses Kanals zeigt,

Fig. 12 ein Diagramm ist, das ein Beispiel der Entwicklung eines Formfaktors des Querschnitts eines kontinuierlichen Rückführkanals entlang der Mittellinie dieses Kanals zeigt, und

Fig. 13 schematisch ein Beispiel der Entwicklung des Quer schnitts eines kontinuierlichen Rückführkanals entlang der Mittellinie dieses Kanals in der Perspektive darstellt.

Die kontinuierlichen Rückführkanäle 11 bis 20, die insbeson dere in Fig. 2 dargestellt sind, bilden ein Statorelement 10 bei Zentrifugalpumpen oder mehrstufigen Zentrifugalkompresso ren.

In Fig. 1 ist als Beispiel eine Zentrifugalturbopumpe darge stellt, die als Pumpe für kryogenen Treibstoff wie z. B. Was serstoff dienen kann. Diese Turbopumpe mit zwei Stufen umfaßt ein erstes Turborad 5 mit Schaufeln 6 und ein zweites Turbo rad 55 mit Schaufeln 56. Eine zentrale Welle 22, die mit Wälzlagern 23, 24 gelagert ist, wird durch zwei Turbinenräder 32, 33 in Drehung versetzt. Die zentrale Welle 22 versetzt ihrerseits das erste und zweite Rad 5, 55 in Drehung.

Die Turbomaschine umfaßt Außengehäuseelemente 1, 2, eine Er regerwicklung 31 am Eingang der Turbomaschine über der Passa ge des zu pumpenden Fluids, einen Torus 34 zum Zuführen von heißen Gasen, die die Turbinen 32, 33 mitreißen, und einen Röhrenleiter 4 zum Fördern des Arbeitsfluids am Ausgang der zweiten Pumpstufe. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet den Stator zwischen den Stufen mit einer Einheit von kontinuierlichen Rückführkanälen 11 bis 20, die die Strömung auffangen, die mit großer Geschwindigkeit von dem ersten Turborad 5 kommt, um sie wiederherzustellen, abzubremsen und zum Eingang des zweiten Rades 55 zu leiten.

Die Transformation des dynamischen Druckes am Ausgang des er sten Rades 5 in statischen Druck am Eingang des zweiten Rades 55 wird durch den Ausbeutekoeffizienten für den statischen Druck C_P angegeben, der gegeben ist durch die folgende For mel:

wobei
P_SR1 = statischer Druck am Ausgang der ersten Rades,
P_SER2 = statischer Druck am Eingang des zweiten Rades,
V_SR1 = Geschwindigkeit am Ausgang des ersten Rades,
ρ = Dichte des Fluids.

Die kontinuierlichen Rückführkanäle 11 bis 20 gemäß der vor liegenden Erfindung ermöglichen es, Ausbeutekoeffizienten für den statischen Druck C_P zwischen 0,7 und 0,8 zu erhalten, während die Rückführkanäle, wie sie in Fig. 3 gemäß dem Stand der Technik dargestellt sind, nur Werte in der Ordnung von 0,6 für den Ausbeutekoeffizienten für den statischen Druck C_P ermöglichen.

Im folgenden bezieht man sich im wesentlichen auf Fig. 4 bis 13, die unterschiedliche Parameter darstellen, die es ermög lichen, die dreidimensionale Form eines kontinuierlichen Rückführkanals gemäß der Erfindung zu definieren, so daß es möglich wird, die Strömung des Fluids entlang ihrer Trajekto rie zwischen dem Ausgang des ersten Rades 5 und dem Eingang des zweiten Rades 55 zu steuern.

Im folgenden wird im Detail die Konfiguration eines ersten kontinuierlichen Rückführkanals 11 in Röhrenform beschrieben. Die anderen Rückführkanäle 12 bis 20 werden danach identisch zu dem ersten Kanal 11 hergestellt und werden regulär um die Achse O_z der Turbomaschine verteilt. Jeder Rückführkanal 12 bis 20 wird so aus dem ersten Kanal 11 durch eine einfache Achse O_z erhalten.

Die Zahl der kontinuierlichen Rückführkanäle kann ausreichend hoch sein und kann z. B. zwischen 8 und 15 liegen. Die Her stellung wird durch die Erzeugung einer Gruppe von individu ellen röhrenförmigen Elementen anstatt der Bearbeitung eines massiven Körpers vereinfacht. Im übrigen haben die kontinu ierlichen Rückführkanäle sich verändernde Querschnitte einfa cher Form, die sich für die Herstellung durch Gußtechnik an bieten. Schließlich vereinfachen die gradlinigen Teilstücke neben den freien Enden der Rückführkanäle ihre Inspektion bei der Herstellung.

Gemäß einer wesentlichen Eigenschaft der Erfindung ist die Geometrie eines kontinuierlichen Rückführkanals 11 bis 20 durch eine Mittellinie 140 gegeben, die in einer vorgegebenen Ebene P₁P₂P₃ liegt. Die Mittellinie 140 wird derart definiert, daß der Umfang in radialer Richtung minimiert und der axiale Umfang des Statorelements zwischen den Stufen 10 in Abhängig keit von den Organen (Lager 23, Verbindung, . . .), die sich im Rücken des ersten Rades 5 befinden (siehe Fig. 1), bestimmt wird.

Die Mittellinie 140 in einer Ebene und definiert für einen ersten individuellen Kanal 11 erlaubt es, eine relativ einfa che Beschreibung und Analyse von Formen des Kanals 11 in sei nen unterschiedlichen Teilen zu machen und die Ergebnisse von Versuchen in bezug auf die Konfigurationen der Basisteile nutzen zu können (gerade Leiträder, ebene Krümmer unter schiedlicher Formen). Die Mittellinie 140 ist im übrigen so definiert, daß abrupte Richtungsänderungen vermieden werden und eine Beherrschung der Strömung sowohl in Diffusionszonen als auch gekrümmten Abschnitten sichergestellt ist.

Die Ebene mit der Mittellinie 140 ist für den ersten Kanal 11 durch die Punkte P₁, P₂, P₃ (Fig. 4 und 7 bis 10) vorgegeben.

Die Punkte P₁ und P₂ liegen in einer Ebene senkrecht zur Ach se O_z der Turbomaschine. Die Richtung des Vektors P₁P₂ gibt die mittlere Richtung des ersten Abschnittes 141 der Mittel linie 140 vor, die einen ersten Abschnitt des geraden Kanals 110 definiert, wodurch eine Diffusion sichergestellt ist. Die Richtung des Vektors P₁P₂ hängt so hauptsächlich von der Strömung stromaufwärts der Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid zwischen den Stufen ab. Die Position des Punktes P₁ wird bestimmt, indem der Abstand zwischen dem Eingang 111 des Kanals 11 und dem Ausgang des Turborades 5 vorgegeben wird.

Die Punkte P₂ und P₃ liegen in einer Ebene mit der Achse O_z der Turbomaschine. Die Richtung des Vektors P₂P₃ gibt die mittlere Richtung des dritten Abschnitts 143 der Mittellinie 140 vor, die einen dritten Abschnitt des geraden Kanals 130 definiert, wodurch eine Diffusion sichergestellt ist, wobei der erste und dritte Abschnitt des geraden Kanals 110, 130 durch einen zweiten Abschnitt des Kanals 120 verbunden wer den, das eine optimal gekrümmte Geometrie hat, die einem zweiten Abschnitt 142 der Mittellinie 140 entspricht (Fig. 2 und Fig. 4).

In der Ebene P₁P₂P₃, die wie oben angedeutet definiert ist, ist die Mittellinie 140 eines ersten Rückführkanals 11 selbst definiert durch unterschiedliche charakteristische Punkte L₁ bis L₇.

Der Punkt L₁ definiert die Eingangsöffnung 111 des Rückführ kanals 11. Die Mittellinie 140 ist in ihrem Abschnitt 141 zwischen den Punkten L₁ und L₂ gerade. Die Mittellinie 140 besteht in ihrem Abschnitt 142 zwischen den Punkten L₂ und L₅ aus einem Kreisbogen mit dem Zentrum O₂ und einem Radius R_CO2. Man kann außerdem Zwischenpunkte L₃ und L₄ definieren, die jeweils den Punkten bei 40°- und 90°-Drehung auf dem Kreisbo gen 142 entsprechen. Die Mittellinie ist in ihrem Abschnitt 143 zwischen dem Punkt L₅ und L₆, der die Ausgangsöffnung 131 des Kanals 11 bildet (Fig. 4, 7 bis 10 und 13), gerade. Zwi schen den Punkten L₆ und L₇ beschreibt die Mittellinie 140 einen Kreisbogen 144 in der Ebene (O, P₂₁ P₃) mit dem Radius R_CO1, so daß sie parallel zur Achse O_z der Turbomaschine wird. Der Punkt L₇ entspricht dem Eingang des zweiten Rades 55 und befindet sich in einer gemeinsamen Zone, die durch zwei axial-symmetrische Oberflächen begrenzt wird, die durch das Gehäuse und die Nabe am Eingang des zweiten Rades 55 gebildet werden.

Die axiale Verbindung am Ausgang des Rückführkanals 11 ist in dem Abschnitt 144 der Mittellinie 140 nicht mit Schaufeln versehen, was die Bildung von sekundären Strömungen an den Wandungen als Erzeuger von Störungen in der Strömung am Ein gang des zweiten Rades 55 vermeidet.

Die Querschnitte des Rückführkanals 11 senkrecht zu der Mit tellinie 140 verändern sich und sind durch ihren Flächenin halt, drei Formfaktoren A, B und m und die Richtung zwischen der lokalen Achse des Querschnitts und der Normalen in der Ebene P₁P₂P₃ definiert.

Die Entwicklung der Querschnitte ist so, daß die Gesamtdruck gradienten minimiert werden. Die Querschnitte haben eine ein fache Form. So kann der sich entwickelnde Querschnitt des Ka nals 11 quasi recht eckig bei den speziellen Punkten L₁ und L₆ sein und kann elliptisch bei den speziellen Punkten L₂ und L₅ sein, wobei sich der Querschnitt progressiv zwischen den auf einanderfolgenden charakteristischen Punkten L₁, L₂, L₅, L₆ entwickelt.

Allgemein erfolgt die Diffusion größtenteils in den zwei ge raden Abschnitten 110 und 130 des Kanals 11, was zu optimalen Eigenschaften führt.

Die Abweichung der Strömung in dem Abschnitt 120 erfolgt in einem ebenen Kniestück (Abschnitt 142 der Mittellinie 140). Die große Achse der senkrechten Querschnitte in dem Kniestück steht senkrecht zur Ebene P₁P₂P₃. Um die Leistung zu optimie ren, kann man vorzugsweise für die elliptischen senkrechten Querschnitte des geknickten Abschnittes 120 ein Verhältnis der großen Achse zur kleinen Achse von 2 wählen.

Im folgenden wird ein Beispiel für die Definition der Mittel linie 140 in der Ebene P₁P₂P₃ mit Bezug auf die Fig. 4 bis 13 beschrieben.

Zunächst werden mit den Strömungsbedingungen am Ausgang des Turborades 5 die Werte der Parameter R₀, β₀ und b₀ berechnet, wobei gilt:
R₀ = mittlerer Radius der Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid 10 zur Eingangsöffnung 111 des kontinuierlichen Rück führkanals 11,
β₀= Winkel der Mittellinie 140 des Kanals 11 zur Eingangs öffnung 111 in bezug auf die Tangente an den Kreis, der durch den mittleren Radius R₀ definiert wird,
b₀ = Breite des Kanals 11 an der Eingangsöffnung 111.

Bei einer gegebenen Maschine werden die Parameter R₂h, R₂t und l_c vorgegeben, wobei gilt:
R₂h = Radius der Nabe am Eingang des Rades 55 gegenüber dem Ausgang 131 des Kanals 11,
R₂t = Radius des Gehäuses am Eingang des Rades 55,
l_c= axiale Ausdehnung des Kanals 11.

Unter Berücksichtigung der Einschränkungen in bezug auf die Ausdehnung wählt man den Wert für die Parameter R_CO1 und R_CO2, der bereits oben definiert wurde, möglichst hoch.

Man stellt im übrigen die Parameter ρ_m und l_ax so ein, daß die Einschränkungen in bezug auf die Ausdehnung befriedigt wer den, indem eine Kapazität für die Diffusion zwischen der Ein gangsöffnung 111 und dem Beginn des ebenen Kniestücks 120 ge lassen wird, mit:
ρ_m = Neigungswinkel der Mittellinie 140 des kontinuierlichen Rückführkanals 11 in einer Meridianebene der Turbomaschine,
l_ax = axialer Abstand zwischen dem Krümmungszentrum des vier ten gekrümmten Abschnittes 144 der Mittellinie 140 und Aus gang 131 des Kanals 11.

Wenn einmal ein absolutes Referenzzeichen im Raum (O_XYZ) defi niert worden ist, so daß O_z der Achse der Turbomaschine ent spricht, O_x parallel zu der Achse des ersten geraden Ab schnittes 141 der Mittellinie ist, und der Ursprung O der Achse O_z der Ebene des Gehäuses am Eingang des Rückführkanals 11 entspricht, so kann man die Koordinaten der Punkte P₁, P₂, P₃, die die Ebene P₁P₂P₃ definieren, wie auch die speziellen Punkte L₁ bis L₇ der Mittellinie 140, die oben definiert wur den, bestimmen.

Die Tangente die Normale und die Normale zur Ebene P₁P₂P₃ können an jedem der Punkte der Mittellinie 140 vorgege ben werden (siehe Fig. 6 und 10).

Die Fig. 11 bis 13 und die Fig. 6 zeigen Beispiele für die Entwicklung von senkrechten Querschnitten 112 des Kanals an unterschiedlichen Punkten der Mittellinie 140.

Wenn man die Fig. 11 und 13 betrachtet, so läßt sich der Flä cheninhalt der senkrechten Querschnitte 111 bis 116 und 131 an unterschiedlichen charakteristischen Punkten L₁ bis L₆ de finieren.

Der Flächeninhalt S_L1 des Eingangsquerschnittes 111 am Punkt L₁ ist definiert durch die Eingangsöffnung und insbesondere ihre Breite b₀.

Die Flächeninhalte S_L2 bis S_L5 der Querschnitte 112 bis 115 an den Punkten L₂ bis L₅ sind gleich und haben einen Wert in der Ordnung von zweimal dem Flächeninhalt S_L1 des Eingangsquer schnittes 111. Die senkrechten Querschnitte zwischen den Punkten L₁ und L₂ durchlaufen eine lineare Entwicklung.

Der Flächeninhalt S_L6 des Querschnittes am Ausgang 131 am Punkt L₆ wird definiert durch die Parameter R₂t und R₂h und hat einen Wert in der Ordnung von zweimal dem Flächeninhalt der senkrechten Querschnitte zwischen den Punkten L₂ und L₅. Die senkrechten Querschnitte wie 116 zwischen den Punkten L₅ und L₆ durchlaufen eine lineare Entwicklung. Der Flächenin halt verändert sich zwischen den Punkten L₆ und L₇ nicht (Fig. 10).

Die Form der Querschnitte senkrecht zur Mittellinie 140 kann definiert werden durch Fermat-Kurven mit der Form:

wobei A, B und m Formfaktoren darstellen.

Sobald der Flächeninhalt vorgegeben ist, bleiben nur noch zwei Freiheitsgrade.

Fig. 12 zeigt eine mögliche Entwicklung des Parameters m zwi schen den Punkten L₁ und L₆. In diesem speziellen Fall verän dert sich m linear von 8 auf 2 zwischen L₁ und L₂, bleibt konstant und gleich 2 zwischen L₂ und L₅ und verändert sich linear von 2 auf 8 zwischen L₅ und L₆.

Die senkrechten Querschnitte 111 und 131 an den Punkten L₁ und L₆ sind praktisch rechteckig.

Die senkrechten Querschnitte 112 bis 115 sind elliptisch mit einem Verhältnis von 2 zwischen der kleinen Halbachse A und der großen Halbachse B. Allgemeiner ausgedrückt entwickelt sich die große Halbachse B linear zwischen den unterschiedli chen charakteristischen Punkten L₁ bis L₆, und die kleine Halbachse A wird in Abhängigkeit von dem Flächeninhalt und dem Wert m berechnet.

In Fig. 6 ist ein Beispiel des senkrechten Querschnittes dar gestellt, der dem Eingangsquerschnitt 111 entspricht. Die Richtung jedes senkrechten Querschnittes ist definiert durch den Winkel α zwischen der lokalen Achse des Querschnittes und der Normalen zur Ebene P₁P₂P₃ mit der Mittellinie 140 (Fig. 6, 10 und 13).

Vorzugsweise hat der Winkel α einen Wert zwischen 30 und 35° an den speziellen Punkten L₁ und L₆ und einen Wert Null an den speziellen Punkten L₂ und L₅. Der Winkel α verändert sich linear zwischen den aufeinanderfolgenden speziellen Punkten L₁ und L₂, L₂ und L₅ und L₅ und L₆.

In den Fig. 7 bis 9, die die Fig. 4 und 10 vervollständigen und jeweilige Projektionen in den Ebenen O_xy, O_xz und OP₂P₃ darstellen, ist die Projektion der Mittellinie 140 in diese Ebenen bezeichnet mit den Bezugszeichen 140A, 140B bzw. 140C.

Claims

1. Vorrichtung zum Weiterleiten eines Fluids zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen einer mehrstufigen Turbozen trifugalmaschine mit einer Statoreinheit (10) mit mehre ren Rücklaufkanälen (11 bis 20), die die Strömung des Fluids, das mit großer Geschwindigkeit von einem Turborad (5) einer Stufe der Turbomaschine kommt, auffangen, um diese Strömung wiederherzustellen, abzubremsen und zum Eingang eines weiteren Turborades (55) einer weiteren be nachbarten Stufe der Turbomaschine zu leiten, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Rückführkanäle (11 bis 20) gebildet ist aus ei nem individuellen, kontinuierlichen, profilierten, röh renförmigen Element, daß ein erster kontinuierlicher Rückführkanal (11) definiert ist durch Parameter und Nor malen auf einer Mittellinie (140) in einer vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃), die die Achse (O_z) der Turbomaschine ent hält, wobei die Mittellinie (140) einen ersten geraden Abschnitt (141), einen zweiten kreisbogenförmigen Ab schnitt (142) mit Radius R_CO2 und einen dritten geraden Abschnitt (143) aufweist, und daß die unterschiedlichen Rückführkanäle identisch sind und sich einer aus dem an deren durch eine Drehung um die Achse der Turbomaschine ergeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie (140) des ersten Rückführkanals (11) au ßerdem einen vierten Abschnitt (144) umfaßt, der einen großen Krümmungsradius (R_CO1) hat, der in entgegengesetz ter Richtung zu dem des zweiten gekrümmten Abschnitts (142) ausgerichtet ist, so daß die Orientierung der Mit tellinie (140) entlang der Achse (O_z) der Turbomaschine gebracht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rückführkanals (11) sich in einer Ebene (P₁P₂P₃) befindet, die vorgegeben ist durch einen ersten Punkt P₁, einen zweiten Punkt P₂ und einen dritten Punkt P₃, so daß der erste und zweite Punkt P₁, P₂ enthalten sind in einer Ebene senkrecht zur Achse (O_z) der Turbomaschine, der zweite und dritte Punkt (P₂, P₃) enthalten ist in einer Ebene, die die Achse (O_z) der Turbomaschine enthält, die Position des ersten Punktes P₁ so vorgegeben ist, daß sie einen vorgegebenen Abstand zwischen dem Eingang des er sten Kanals (11) und dem Ausgang des Turborades (5) ge genüber entspricht und die Richtungen des Vektors P₁P₂, definiert durch den ersten und zweiten Punkt P₁, P₂, und des Vektors P₂P₃, definiert durch den zweiten und dritten Punkt P₂, P₃, jeweils der Richtung des ersten geraden Ab schnitts (141) und dem dritten geraden Abschnitt (143) der Mittellinie (140) des ersten kontinuierlichen Rück führkanals (11) entsprechen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale, begrenzende Endabschnitt der kontinuierlichen Rückführkanäle (11 bis 20) keine Schaufeln aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Querschnitte (111 bis 115, 131), die senkrecht zur Mittellinie (140) des ersten kontinu ierlichen Rückführkanals (11) stehen, durch ihren Flä cheninhalt, durch Formfaktoren A, B und m und durch den Orientierungswinkel α zwischen der lokalen Achse des Querschnittes und der Normalen zu der vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃) definiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Querschnitte (111 bis 115, 131), die senk recht zu der Mittellinie des ersten kontinuierlichen Rückführkanals stehen, definiert ist durch die Formel
wobei A, B und m Parameter sind, die die Formfaktoren darstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeich net, daß die Mittellinie (140) eines kontinuierlichen Rückführkanals (11) in der vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃) de finiert ist durch die folgenden Parameter:
R₀ = mittlerer Radius der Vorrichtung zum Weiterleiten von Fluid zur Eintrittsöffnung (111) des kontinuierlichen Rückführkanals (11),
β₀= Winkel der Mittellinie (140) des Kanals zur Ein trittsöffnung (111) in bezug auf die Tangente an den Kreis, der definiert ist durch den mittleren Radius R₀,
b₀ = Breite des kontinuierlichen Rückführkanals (11) zu der Eintrittsöffnung (111),
R₂h = Radius der Nabe am Eingang des anderen Rades (55) gegenüber dem Ausgang (131) des kontinuierlichen Rück führkanals,
R₂t = Radius des Gehäuses am Eingang des anderen Rades (55)
l_c = axiale Ausdehnung des kontinuierlichen Rückführka nals (11),
R_CO1 = Krümmungsradius des vierten gekrümmten Abschnittes (144) der Mittellinie (140),
R_CO2 = Krümmungsradius des zweiten gekrümmten Abschnittes (142) der Mittellinie (140),
ϕ_m = Neigungswinkel der Mittellinie (140) des kontinuier lichen Rückführkanals (11) in einer Meridianebene der Turbomaschine,
l_ax = axialer Abstand zwischen dem Krümmungszentrum des vierten gekrümmten Abschnittes (144) der Mittellinie (140) und dem Ausgang (131) des kontinuierlichen Rück führkanals (11).

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen der Mittellinie (140) des ersten kontinu ierlichen Rückführkanals (11) ein absolutes Referenzsy stem (O_xyz) definiert wird, so daß O_z der Achse der Turbo maschine entspricht, O_x parallel zur Achse des ersten ge raden Abschnittes (141) der Mittellinie (140) ist und der Ursprung O der Achse O_z der Ebene des Gehäuses am Eingang des ersten kontinuierlichen Rückführkanals (11) ent spricht, die Koordinaten des ersten, zweiten und dritten Punktes P₁, P₂, P₃ derart festgelegt sind, daß sie die vorgegebene Ebene (P₁P₂P₃) definieren, und spezielle Punk te L₁, L₂, L₅, L₆, L₇ der Mittellinie (140) derart festge legt sind, daß der spezielle Punkt L₁ der Eintrittsöff nung (111) entspricht, der spezielle Punkt L₂ dem Über gang zwischen dem geraden Abschnitt (141) und dem ge krümmten zweiten Abschnitt (142) entspricht, der speziel le Punkt L₅ dem Übergang zwischen dem zweiten gekrümmten Abschnitt (142) und dem dritten geraden Abschnitt (143) entspricht, der spezielle Punkt L₆ dem Ende des dritten geraden Abschnittes (143) und dem Ausgangs (131) des kon tinuierlichen Rückführkanals entspricht und der spezielle Punkt L₇ dem Eingang des anderen Turborades in einer ge meinsamen Zone entspricht, die durch zwei axial-symmetri sche Oberflächen beschränkt ist, die gebildet werden durch die Nabe und das Gehäuse am Eingang des anderen Ra des (55)

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flächeninhalt der Querschnitte (111, 131), die senkrecht zu der Mittellinie (140) des ersten kontinuierlichen Rückführkanals (11) stehen, definiert ist am speziellen Punkt L₁ in Abhängigkeit von Dimensio nen der Eintrittsöffnung (111) des kontinuierlichen Rück führkanals und am speziellen Punkt L₇ in Abhängigkeit des Radius R₂h der Nabe und des Radius R₂t des Gehäuses am Eingang des anderen Rades (55), daß der Flächeninhalt der Querschnitte (113, 114), die senkrecht zu der Mittellinie (140) in dem zweiten gekrümmten Abschnitt (142) stehen, konstant ist und in etwa gleich dem Doppelten des Flä cheninhalts des Querschnittes (111) am speziellen Punkt L₁, und daß in dem ersten geraden Abschnitt (141) und in dem dritten geraden Abschnitt (143) der Flächeninhalt von den Querschnitten, die senkrecht zu der Mittellinie (140) stehen, sich linear entlang der Mittellinie (140) ent wickelt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß an jedem Punkt der Mittellinie (140) eines kon tinuierlichen Rückführkanals (11), der in der vorgegebe nen Ebene (P₁P₂P₃) liegt, die Richtung des sich ent wickelnden Querschnitts (111 bis 115, 131) lokal definiert ist durch den Winkel α zwischen der lokalen Achse , dem Querschnitt und der Normalen zur vorgegebenen Ebene (P₁P₂P₃), die die Mittellinie (140) enthält, daß der Win kel α einen Wert zwischen 30 und 35° an den speziellen Punkten L₁ und L₆ hat und einen Wert von Null bei den speziellen Punkten L₂ und L₅, und daß der Winkel α sich linear zwischen den aufeinanderfolgenden speziellen Punk ten L₁ und L₂, L₂ und L₅ und L₅ und L₆ entwickelt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der sich entwickelnde Querschnitt ei nes kontinuierlichen Rückführkanals (11) quasi rechteckig an den speziellen Punkten L₁ und L₆ ist und elliptisch an den speziellen Punkten L₂ und L₅ ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 8 und 15 kontinuierliche Rückführkanäle (11 bis 20) umfaßt.