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EP3568597A1 - Rückführstufe und radialturbofluidenergiemaschine - Google Patents

Rückführstufe und radialturbofluidenergiemaschine

Info

Publication number
EP3568597A1
EP3568597A1 EP18707245.9A EP18707245A EP3568597A1 EP 3568597 A1 EP3568597 A1 EP 3568597A1 EP 18707245 A EP18707245 A EP 18707245A EP 3568597 A1 EP3568597 A1 EP 3568597A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vanes
section
guide vanes
bfs
process fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP18707245.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3568597B1 (de
Inventor
Nico Petry
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 AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3568597A1 publication Critical patent/EP3568597A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3568597B1 publication Critical patent/EP3568597B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/28—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/284—Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/4213—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps suction ports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/441—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/444—Bladed diffusers

Definitions

  • the invention relates to a return stage of a radial turbo fluid energy machine, in particular a Radialturboverdich ⁇ ters, for deflecting a flow direction of an emerging from an axis rotating impeller process fluid from radially outside to radially inside, comprising a nen ring around the axis extending return channel having four adjacent portions in the flow direction, wherein a first portion for guiding the process fluid is formed radially outward, wherein a ter ⁇ ter ⁇ ter section for deflecting the process fluid from radially outside to radially inwardly formed wherein a third Ab ⁇ section for guiding the process fluid is formed radially inward from ⁇ , wherein a fourth section is formed for redirecting the process fluid in the axial direction, wherein the third section first guide vanes, the flow channels of the return channel Define in the circumferential direction to each other defi ⁇ ren, wherein the return stage downstream of the first Leit ⁇ blades second guide vanes defining
  • the fluid to be compressed leaves an impeller rotating in the radial direction about an axis with a significant speed component in the circumferential direction (swirl).
  • the following in the flow direction static aerodynamic compo- nents have the task of implementing the power supplied in the impeller kineti ⁇ specific energy into pressure.
  • the fluid In a multi-stage single-shaft, such as from the JP000244516 ⁇ be known, the fluid must also be to the subsequent impeller Gelei ⁇ tet. Furthermore, the flow of the swirl is to escape, so that the following impeller is flowed largely swirl-free.
  • a so-called recirculation stage comprising a first section, which leads the process fluid radially outward, a second section which substantially corresponds to a 180 ° arc and a third section for directing the process fluid radially inward for entry into the downstream succeeding impeller.
  • a fourth section defines a redirection of the process fluid from the radially inward flow in the axial direction to the impeller inlet of the downstream impeller.
  • the invention has made it to the task crizzu ⁇ form a feedback stage of the type defined that a less expansive feedback stage generates a less lossy flow, which is particularly particularly low swirl and low vortex.
  • a return stage of the type defined is proposed with the additional features of the characterizing part of patent claim 1. Furthermore, the invention proposes a radial turbofluid energy machine with such a return stage.
  • the invention proposes a radial turbofluid energy machine with such a return stage.
  • it is also customary to designate only the combination of the second section with the third section as a return stage and the first Ab ⁇ section as a flow direction in front of it Define diffuser.
  • the fourth section is not always attributed to the feedback stage.
  • the termino ⁇ logy of this document refers to the four successively arranged in the flow Rich ⁇ processing sections (Sl, S2, S3; S4; see figures) as a feedback stage.
  • the first portion in the invention can be ⁇ tet free decor with dark, so that the first section with or without blades, for example, is formed divergently, constant or excluded tapering in the flow direction may be Meriodinalimpose.
  • the invention enables a task sharing between the two rows of vanes, the first vanes and the second vanes, which is particularly efficient.
  • the first vanes essentially deflect the flow and the second vanes substantially break lent the vortices forming in the first vanes. This leads to a more homogeneous inflow to the next impeller and to a middle swirl-free inflow to the next impeller.
  • the arrangement of the first vanes and second vanes solely in the third portion of the return stage combines an aerodynamically advantageous Vorbe ⁇ reitung of the process fluid on the downstream Running wheel according to the 90 ° deflection. It turns out that the split into two flow guide vane stages particularly efficient working in the third section in the twist-free orientation of the Pro ⁇ zessfluids.
  • the arrangement of Leitbe ⁇ paddle especially in the third section is particularly easy to manufacture and easy to install.
  • the arrangement in the third section advantageously allows for a solid attachment of the false bottom to the blade bottom and is also particularly well suited due to the relatively simple geometry of the radial feedback in the region of the third section for mounting and manufacturing the two rows of vane.
  • the finding of the invention consists in particular in that an arrangement of guide vanes in adjacent regions reinforces the tendency for undesirable secondary flows due to the complexity of the further deflection of the process fluid.
  • the multiple division of tasks according to the invention Zvi ⁇ rule multiple radial deflection (180 °, 90 ° bends),
  • Swirl elimination (first vanes) and breakage of vortices forming in the first vanes (by means of the second vanes) is particularly aerodynamically efficient. Due to the fact that the second guide vanes are arranged exclusively in the third section of the return stage, any vortices are broken efficiently and hardly or no new vortices are generated. In this way, a largely swirl-free and eddy-free flow reaches the fourth section of the return stage and can be deflected at this point by other ae ⁇ rodynamischen measures uninfluenced in the axial direction for entry into the downstream impeller ⁇ umge ⁇ .
  • An advantageous development of the invention provides that an outlet edge diameter of the first guide vanes in relation to an inlet edge diameter of the first guide vanes between
  • L1EA Metal exit angle of the first Leitschau ⁇ blades (LI) to the radial direction.
  • the second guide vanes can be arranged in such a way that an inlet edge diameter of the second guide vanes in relation to an outlet edge diameter of the first guide vanes between
  • a blade overlap of guide vanes is in each case defined as a quotient of an average chord line length and an average arc length spacing in the circumferential direction of the mutually adjacent blades, wherein an overlap for the second guide vanes 0.8 ⁇ RAS / CDT ⁇ 1.2, with
  • CD sheet length distance
  • the return stage has the same number of first vanes and second vanes.
  • the second guide vanes are particularly efficient in accordance with an advantageous development of the invention as a vortex breaker, it is convenient when the second Leitschau ⁇ feln have a difference between a secondary metal and secondary metal entry angle exit angle, in which:
  • DL2A difference between mean metal entry angle and mean metal exit angle. Particularly preferred is the difference between the mean metal entry angle and mean metal exit angle zero. In addition, it is also advantageous if the first Leit ⁇ blades and / or second vanes are cylindrical.
  • Another advantageous development of the invention provides that exactly one second guide vane is arranged downstream in the circumferential direction between the two closest first guide vanes.
  • a circumferentially offset second vane stage or the arrangement of the second vanes in the circumferential direction asymmetrically to the outlet edges of the first vanes leads to a reduction of the aerodynamic losses of the process fluid in the flow through the return stage.
  • the redirection and diversion of the process fluid downstream ⁇ Winderson of the outlet of an impeller toward the inlet of the downstream impeller following the invention is particularly low loss and little space.
  • the arc length which circumferentially characterizes the distance between the two exit edges of adjacent first vanes, is divided by the radial jet through the leading edge of the second vanes circumferentially disposed between the first two vanes in a pressure-side portion and a suction-side portion.
  • a particularly advantageous development of the invention provides that the second guide vanes are designed and arranged in such a way that the second guide vane arranged downstream between the two first vanes is arranged closer to the suction side of the adjacent first vane in the circumferential direction than on the pressure side of the other adjacent first vane.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section in a schematic representation through the flow channel of a radial turbofluid energy machine using the example of a
  • FIG. 2 shows a detail of FIG. 1, which is indicated by II in FIG. 1,
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a longitudinal section of a radial turbofan energy machine RTFEM in FIG.
  • Section of a flow channel for a process fluid PF The detail shows five IMP wheels that rotate as a component of egg ⁇ nes rotor R in operation about an axis X. On this axis X all the information in this description, such as axial, radial, tangential or circumferential direction are related.
  • the impellers IMP suck the process fluid in each PF We ⁇ sentlichen axially and convey this accelerated radially outwardly. After exiting the impeller IMP, the process fluid PF enters a return stage BFS comprising a return channel BFC.
  • FIG. 2 shows the feedback stage BFS or the
  • the process fluid PF passes from the impeller IMP in a first section Sl of
  • the deflection from a radially inward flow direction FD in the third section S3 in the axial flow direction FD takes place essentially in a 90 ° arc, which represents a fourth section S4.
  • Only in the third section S3 are first vanes LI and second vanes L2 arranged.
  • the first Leitschau ⁇ blades have an entrance edge L1LE and a trailing edge LITE.
  • the second vanes L2 have an entrance edge L2LE and an exit edge L2TE.
  • the leading edge of the second vane L2LE L2 is in a radial section RAD downstream ⁇ Wind lake and on a smaller radius than the outlet edges of the first vanes LITE LI - this arrangement is preferred according to the invention.
  • the scope of the invention is also attributable to embodiments in which this radial section RAD is zero or the entry edges L2LE are located in the radial region of the first guide vanes LI.
  • a flow channel FC in the circumferential direction between two first vanes LI is respectively defined by a pressure side PSL1 of a first vane LI and a suction side SSL1 of another first vane LI.
  • a connecting line CLTE can always be indicated by two exit edges LITE of adjacent first guide vanes LI. This compound CLTE line extends with a radius of curvature which corresponds to the Abstandsra ⁇ dius to the axis X.
  • An arc length BLD of this connecting line CLTE between the two exit edges LITE of the adjacent first guide vanes LI is not divided centrally by a radial jet RS through the leading edge L2LE of the second guide vane arranged in the circumferential direction between the two first guide vanes LI.
  • a first part portion of this connecting line is CLTE Zvi ⁇ rule of the leading edge of the second vane L2LE L2 and the trailing edge of the first vane LITE LI, which adjoins the respective flow channel FC with its suction side SSB1 be ⁇ .
  • This suction-side portion SSD is smaller than the corresponding adjacent pressure-side portion PSD.
  • the ratio of the suction-side portion SSD to the entire Arc length BLD of the connecting line CLTE between the two exit edges LITE of the first vanes LI is between 0.4 - 0.6 (0, 4 ⁇ SSD / BLD ⁇ 0, 6).
  • This type of unequal distribution of the flow channel FC between the two first vanes LI by means of the following vane L2 leads to a particularly advantageous low-loss flow through the third section S3.
  • Figures 2 and 3 have different diameters for different positions of the return stage BFS.
  • the first section Sl extends up to a diameter DO.
  • the second section S2 extends in the flow direction up to a diameter D1. These two diameters are almost identical in the exemplary embodiment.
  • the leading edge L1LE of the first vanes LI is located on a diameter D2.
  • the exit edge LITE of the first vane LI is located on a diameter D3.
  • From the third ⁇ cut S3 extends from the diameter D to the diameter D6.
  • the entry edges L2LE of the second guide vanes L2 are each located on a diameter D4.
  • the exit edges L2TE of the second vanes L2 are each located on a diameter D5.
  • the according to the third section S3 subsequent fourth section S4 begins to be ⁇ a diameter D6.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe (BFS) einer Radialturbofluidenergiemaschine (RTFEM), insbesondere eines Radialturboverdichters (RTC), zur Umlenkung einer Strömungsrichtung (FD) eines aus einem sich um eine Achse (X) rotierenden Laufrads (IMP) austretenden Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen, umfassend einen sich ringförmig um die Achse (X) erstreckenden Rückführkanal (BFC), der vier in Strömungsrichtung von dem Prozessfluid (PF) durchströmbare benachbarte Abschnitte (S1, S2, S3, S4) aufweist, wobei ein erster Abschnitt (S1) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial außen ausgebildet ist, wobei ein zweiter Abschnitt (S2) zur Umlenkung des Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein dritter Abschnitt (S3) zur Leitung des Prozessfluids (PF) nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein vierter Abschnitt (S3) zur Umleitung des Prozessfluids (PF) in axiale Richtung ausgebildet ist, wobei der dritte Abschnitt (S3) erste Leitschaufeln (L1) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren, wobei die Rückführstufe (BFS) stromabwärts der ersten Leitschaufeln (L1) zweite Leitschaufeln (L2) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren. Es wird vorgeschlagen, dass die ersten Leitschaufeln (L1) ausschließlich im dritten Abschnitt (S3) angeordnet sind, wobei die zweiten Leitschaufeln (L2) ausschließlich im dritten Abschnitt (S4) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
RÜCKFÜHRSTUFE UND RADIALTURBOFLUIDENERGIEMASCHINE Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe einer Radialturbo- fluidenergiemaschine, insbesondere eines Radialturboverdich¬ ters, zur Umlenkung einer Strömungsrichtung eines aus einem sich um eine Achse rotierenden Laufrads austretenden Pro- zessfluids von radial außen nach radial innen, umfassend ei- nen sich ringförmig um die Achse erstreckenden Rückführkanal, der vier in Strömungsrichtung benachbarte Abschnitte aufweist, wobei ein erster Abschnitt zur Leitung des Pro- zessfluids nach radial außen ausgebildet ist, wobei ein zwei¬ ter Abschnitt zur Umlenkung des Prozessfluids von radial au- ßen nach radial innen ausgebildet ist, wobei ein dritter Ab¬ schnitt zur Leitung des Prozessfluids nach radial innen aus¬ gebildet ist, wobei ein vierter Abschnitt zur Umleitung des Prozessfluids in axiale Richtung ausgebildet ist, wobei der dritte Abschnitt erste Leitschaufeln aufweist, die Strömungs- kanäle des Rückführkanals in Umfangsrichtung zueinander defi¬ nieren, wobei die Rückführstufe stromabwärts der ersten Leit¬ schaufeln zweite Leitschaufeln aufweist, die Strömungskanäle des Rückführkanals in Umfangsrichtung zueinander definieren. In einem Radialverdichter (siehe Figur 1) verlässt das zu komprimierende Fluid ein um eine Achse rotierendes Laufrad in radialer Richtung mit einer signifikanten Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung (Drall) . Die in Strömungsrichtung nachfolgenden statischen aerodynamisch wirksamen Kompo- nenten haben die Aufgabe, die im Laufrad zugeführte kineti¬ sche Energie in Druck umzusetzen. Bei einem mehrstufigen Einwellenverdichter, wie beispielsweise aus der JP000244516 be¬ kannt, muss das Fluid zudem zum nachfolgenden Laufrad gelei¬ tet werden. Weiterhin ist der Strömung der Drall zu entzie- hen, so dass das nachfolgende Laufrad weitestgehend drallfrei angeströmt wird. Diese Aufgabe wird durch eine sogenannte Rückführstufe, umfassend einen ersten Abschnitt, der das Pro- zessfluid nach radial außen führt, einen zweiten Abschnitt der im Wesentlichen einem 180°-Bogen entspricht und einem dritten Abschnitt zur Leitung des Prozessfluids nach radial innen zum Eintritt in das stromabwärtig nachfolgende Laufrad. Ein vierter Abschnitt definiert eine Umlenkung des Pro- zessfluids aus der radial nach innen gerichteten Strömung in die Axialrichtung zum Laufradeintritt des stromabwärtigen Laufrads hin.
Eine gattungsgemäße Rückführbeschaufelung ist bereits aus der JP 11173299-A bekannt.
Unterschiedliche radiale Leitschaufelerstreckungen bzw. Profilsehnenlängen von benachbarten Leitschaufeln gattungsgemäßer Rückführstufen sind bereits aus der DE723824 bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen sind wenig kompakt - also verhältnismäßig raumgreifend - und die Durchströmung ist jeweils verhältnismäßig verlustbehaftet. Rückführstufen des Standes der Technik sind außerdem aufwändig in der Fertigung und Montage.
Ausgehend von dem Problem und Nachteilen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Rückführstufe der eingangs definierten Art derart weiterzu¬ bilden, dass eine weniger raumgreifende Rückführstufe eine weniger verlustbehaftete Strömung erzeugt, die insbesondere besonders drallarm und wirbelarm ist.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird eine Rückführstufe der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Weiterhin schlägt die Erfindung eine radiale Turbofluidenergiemaschine mit einer derartigen Rückführstufe vor . Im technischen Sprachgebrauch ist es auch üblich, nur die Kombination aus dem zweiten Abschnitt mit dem dritten Abschnitt als Rückführstufe zu bezeichnen und den ersten Ab¬ schnitt als einen in Strömungsrichtung davor befindlichen Diffusor zu definieren. Der vierte Abschnitt wird hierbei auch nicht immer der Rückführstufe zugerechnet. Die Termino¬ logie dieses Dokumentes bezeichnet die vier in Strömungsrich¬ tung hintereinander angeordneten Abschnitte (Sl, S2, S3; S4; siehe Figuren) als Rückführstufe. Hierbei ist zu beachten, dass der erste Abschnitt im Rahmen der Erfindung frei gestal¬ tet werden kann, so dass der erste Abschnitt mit oder ohne Schaufeln, im Meriodinalschnitt in Strömungsrichtung zum Beispiel sich aufweitend, konstant oder sich verjüngend ausge- bildet sein kann.
Im Zusammenhang mit der Erfindung sind geometrische Ausdrü¬ cke, wie axial, tangential, radial oder Umfangsrichtung stets auf eine Rotationsachse eines Laufrades einer Radialturbo- fluidenergiemaschine bezogen, falls im unmittelbaren Zusammenhang nichts anderes angegeben ist. Die erfindungsgemäße Rückführstufe hat einen eindeutigen Zusammenhang zu einem derartigen Laufrad, da die Rückführstufe sich stromabwärts des Laufradaustritts bei einem Radialturboverdichter in Um- fangsrichtung um das Laufrad herum erstreckt. In der Regel ist die Rückführstufe zumindest hinsichtlich der aerodyna¬ misch relevanten Aspekte der Grenzen des Ringraums der Erfindung rotationssymmetrisch zu der Achse ausgebildet. Die Rückführstufe nach der Erfindung ist in Folge der in
Strömungsrichtung hintereinander angeordneten ersten Leitschaufeln und zweiten Leitschaufeln weniger raumgreifend als eine Rückführstufe, die nicht die beiden Leitschaufelstufen hintereinander aufweist. Eine Ausrichtung der Strömung auf den Eintritt in das stromabwärts nachfolgende Laufrad ist mittels der gestuften Leitschaufelausführung aerodynamisch effizienter .
Aerodynamisch ermöglicht die Erfindung eine Aufgabenteilung zwischen den beiden Leitschaufelreihen, den ersten Leitschaufeln und den zweiten Leitschaufeln, die besonders effizient ist. Die ersten Leitschaufeln lenken im Wesentlichen die Strömung um und die zweiten Leitschaufeln brechen im Wesent- liehen die sich in den ersten Leitschaufeln bildenden Wirbel. Das führt zu einer homogeneren Zuströmung zum nächsten Laufrad und zu einer im Mittel drall-freieren Zuströmung zum nächsten Laufrad.
Die Anordnung der ersten Leitschaufeln und der zweiten Leitschaufeln ausschließlich in dem dritten Abschnitt der Rückführstufe kombiniert eine aerodynamisch vorteilhafte Vorbe¬ reitung des Prozessfluids auf das stromabwärts gelegene Lauf- rad nach der 90 ° -Umlenkung . Es zeigt sich, dass die in zwei Leitstufen aufgeteilte Strömungsführung im dritten Abschnitt besonders effizient bei der drallfreien Ausrichtung des Pro¬ zessfluids arbeitet. Daneben ist die Anordnung der Leitbe¬ schaufelung ausschließlich im dritten Abschnitt besonders fertigungs- und montagefreundlich. Die Anordnung im dritten Abschnitt ermöglicht vorteilhaft eine solide Befestigung des Zwischenbodens an dem Schaufelboden und ist darüber hinaus aufgrund der verhältnismäßig einfachen Geometrie der radialen Rückführung im Bereich des dritten Abschnitts zur Montage und Fertigung der beiden Leitschaufelreihen besonders gut geeignet. Die Erkenntnis der Erfindung besteht insbesondere darin, dass eine Anordnung von Leitschaufeln in benachbarten Bereichen die Neigung für unerwünschte Sekundärströmungen in Folge der Komplexität der weiteren Umlenkung des Prozessfluids ver- stärkt. Die erfindungsgemäße mehrfache Aufgabenteilung zwi¬ schen mehrfacher radialer Umlenkung (180°, 90°-Bögen),
Drallbefreiung (erste Leitschaufeln) und Brechen von sich in den ersten Leitschaufeln bildenden Wirbeln (mittels der zweiten Leitschaufeln) ist aerodynamisch besonders effizient. Da- durch, dass die zweiten Leitschaufeln ausschließlich in dem dritten Abschnitt der Rückführstufe angeordnet sind, werden etwaige Wirbel effizient gebrochen und kaum bzw. keine neue Wirbel erzeugt. Auf diese Weise gelangt eine weitestgehend drallfreie und wirbelfreie Strömung in den vierten Abschnitt der Rückführstufe und kann an dieser Stelle von sonstigen ae¬ rodynamischen Maßnahmen unbeeinflusst in die Axialrichtung zum Eintritt in das stromabwärts befindliche Laufrad umge¬ lenkt werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln in einem Verhältnis zu einem Eintrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln zwischen
0,5*D2 < D3 < 0,68*D2 liegt, mit:
D2 : Eintrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln,
D3 : Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln .
Diese Anordnung erweist sich als besonders günstig zur Errei¬ chung von Drall- und Wirbelfreiheit am Austritt der Rück¬ führstufe. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung zur Befrei¬ ung von Wirbeln und Drall sieht vor, dass die ersten Leit¬ schaufeln einen Metallaustrittswinkel zur Radialrichtung aufweisen mit:
-5° < L1EA < 5°, mit
L1EA: Metallaustrittswinkel der ersten Leitschau¬ feln (LI) zur Radialrichtung.
Die zweiten Leitschaufeln können nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung derart angeordnet werden, dass ein Eintrittskantendurchmesser der zweiten Leitschaufeln in einem Verhältnis zu einem Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln zwischen
0, 9*D3 < D4 < D3, mit :
D3 : Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln
D4 : Eintrittskantendurchmesser der zweiten Leitschaufeln .
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Schaufelüberdeckung von Leitschaufeln jeweils definiert ist als ein Quotient aus einer mittleren Profilsehnenlänge und einem mittleren Bogenlängenabstand in Umfangs- richtung der zueinander benachbarten Schaufeln, wobei für die zweiten Leitschaufeln eine Überdeckung 0,8 < RAS/CDT < 1,2 gilt, mit
RAS: Profilsehnenlänge
CD : Bogenlängenabstand.
In diesem Zusammenhang ist es besonders sinnvoll, wenn die Rückführstufe gleich viele erste Leitschaufeln und zweite Leitschaufeln aufweist. Damit die zweiten Leitschaufeln nach eine vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Wirbelbrecher besonders effizient arbeiten, ist es zweckmäßig, wenn die zweiten Leitschau¬ feln eine Differenz zwischen einem mittleren Metalleintrittswinkel und mittleren Metallaustrittswinkel aufweisen, für die gilt:
-5° < DL2A < 5° mit:
DL2A: Differenz zwischen mittleren Metalleintrittswinkel und mittleren Metallaustrittswinkel. Besonders bevorzugt ist die Differenz zwischen dem mittleren Metalleintrittswinkel und mittleren Metallaustrittswinkel Null. Daneben ist es auch vorteilhaft, wenn die ersten Leit¬ schaufeln und/oder zweiten Leitschaufeln zylindrisch ausgebildet sind.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass genau eine zweite Leitschaufel stromabwärts in Um- fangsrichtung zwischen den beiden nächstgelegenen ersten Leitschaufeln angeordnet ist. Eine in Umfangsrichtung versetzte zweite Leitschaufelstufe bzw. die Anordnung der zweiten Leitschaufeln in Umfangsrich- tung asymmetrisch zu den Austrittskanten der ersten Leitschaufeln führt zu einer Verringerung der aerodynamischen Verluste des Prozessfluids bei der Durchströmung der Rück- führstufe.
Die Neuausrichtung und Umlenkung des Prozessfluids stromab¬ wärts des Austritts aus einem Laufrad hin zu dem Eintritt des stromabwärts nachfolgenden Laufrades ist nach der Erfindung besonders verlustarm und wenig raumgreifend. Die Bogenlänge, die in Umfangsrichtung den Abstand zwischen den zwei Austrittskanten benachbarter erster Leitschaufeln charakteri- siert, wird von dem radialen Strahl durch die Eintrittskante der in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Schaufeln angeordneten zweiten Leitschaufeln in einem druckseitigen Abschnitt und einem saugseitigen Abschnitt geteilt. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweiten Leitschaufeln derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die stromabwärts zwischen den beiden ersten Leitschaufeln angeordnete zweite Leitschaufel in Um- fangsrichtung näher an der Saugseite der benachbarten ersten Leitschaufel angeordnet ist als an der Druckseite der anderen benachbarten ersten Leitschaufel.
Es hat sich gezeigt, dass die Aufteilung der Bogenlänge, die in Umfangsrichtung den Abstand zwischen den zwei Austritts- kanten benachbarter erster Leitschaufeln charakterisiert, besonders vorteilhaft ist, wenn das Verhältnis des saugseitigen Abschnitts zu der gesamten Bogenlänge zwischen 0,4 - 0,6 (0, 4<SSD/BLD<0, 6) liegt. Dieser charakteristische Versatz hin zu der Saugseite einer ersten Leitschaufel, die in Umfangs- richtung den Strömungskanal definiert, führt zu einer turbo- lenzfreien und weniger ablösungsbehafteten Durchströmung, die besonders verlustarm ist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Aus- führungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher be¬ schrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt in schematischer Darstellung durch den Strömungskanal einer Radialturbofluid- energiemaschine am Beispiel eines
Einwellenverdichters , Figur 2 ein Detail der Figur 1, das in Figur 1 mit II ausgewiesen ist,
Figur 3 einen Schnitt durch einen dritten Abschnitt der
Rückführstufe gemäß dem in Figur 2 mit III-III ausgewiesenen Schnitt in einer Radialebene an der axialen Position des dritten Abschnitts.
Figur 1 zeigt eine schematische Wiedergabe eines Längs- Schnitts einer Radialturbofluidenergiemaschine RTFEM in dem
Ausschnitt eines Strömungskanals für ein Prozessfluid PF. Der Ausschnitt zeigt fünf Laufräder IMP, die als Bestandteil ei¬ nes Rotors R im Betrieb um eine Achse X rotieren. Auf diese Achse X sind sämtliche Angaben dieser Beschreibung, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung bezogen. Die Laufräder IMP saugen das Prozessfluid PF jeweils im We¬ sentlichen axial an und befördern dieses beschleunigt nach radial außen. Nach dem Austritt aus dem Laufrad IMP gelangt das Prozessfluid PF in eine Rückführstufe BFS umfassend einen Rückführkanal BFC.
Die Figur 2 zeigt die Rückführstufe BFS bzw. den
Rückführkanal BFC im Detail. Das Prozessfluid PF gelangt aus dem Laufrad IMP in einen ersten Abschnitt Sl des
Rückführkanals, der zur Leitung des Prozessfluids PF nach ra¬ dial außen ausgebildet ist. In dem stromabwärts befindlichen zweiten Abschnitt S2 wird das Prozessfluid PF von einer Strö¬ mungsrichtung nach radial außen in eine Strömungsrichtung FD nach radial innen umgelenkt. In dem darauf folgenden Ab¬ schnitt S3 wird das Prozessfluid PF nach radial innen geführt und anschließend den nachfolgenden Laufrad IMP axial zugelei¬ tet. Die Umlenkung des Prozessfluids PF in dem zweiten Ab¬ schnitt S2 geschieht im Wesentlichen in Form eines 180° Bo- gens . Die Umlenkung von einer radial nach innen weisenden Strömungsrichtung FD im dritten Abschnitt S3 in die axiale Strömungsrichtung FD erfolgt im Wesentlichen in einem 90° Bogen, der einen vierten Abschnitt S4 darstellt. Nur in dem dritten Abschnitt S3 sind erste Leitschaufeln LI und zweite Leitschaufeln L2 angeordnet. Die ersten Leitschau¬ feln haben eine Eintrittskante L1LE und eine Austrittskante LITE. Die zweiten Leitschaufeln L2 haben eine Eintrittskante L2LE und eine Austrittskante L2TE. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Eintrittskante L2LE der zweiten Leitschaufel L2 in einem Radialabschnitt RAD stromab¬ wärts und auf einem kleineren Radius als die Austrittskanten LITE der ersten Leitschaufeln LI - diese Anordnung ist nach der Erfindung bevorzugt. Dem Umfang der Erfindung sind ebenfalls Ausführungsformen zuzurechnen, bei denen dieser Radialabschnitt RAD null ist oder die Eintrittskanten L2LE sich in dem Radialbereich der ersten Leitschaufeln LI befinden.
Die Leitschaufeln LI, L2, ein Strömungskanal FC in Umfangs- richtung zwischen zwei ersten Leitschaufeln LI ist jeweils durch eine druckseitig PSL1 einer ersten Leitschaufel LI und eine Saugseite SSL1 einer anderen ersten Leitschaufel LI de- finiert. In einer radial sich erstreckenden Ebene (Zeichnungsebene der Figur 3) im Bereich der Axialerstreckung des dritten Abschnitts S3 kann stets eine Verbindungslinie CLTE durch zwei Austrittskanten LITE benachbarter erster Leitschaufeln LI angegeben werden. Diese Verbindungslinie CLTE erstreckt sich mit einem Krümmungsradius, der dem Abstandsra¬ dius zu der Achse X entspricht. Eine Bogenlänge BLD dieser Verbindungslinie CLTE zwischen den zwei Austrittskanten LITE der benachbarten ersten Leitschaufeln LI wird von einem radialen Strahl RS durch die Eintrittskante L2LE der in Umfangs- richtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln LI angeordneten zweiten Leitschaufel nicht mittig geteilt. Ein erster Teilabschnitt dieser Verbindungslinie CLTE befindet sich zwi¬ schen der Eintrittskante L2LE der zweiten Leitschaufel L2 und der Austrittskante LITE der ersten Leitschaufel LI, die den betreffenden Strömungskanal FC mit ihrer Saugseite SSB1 be¬ grenzt. Dieser saugseitige Abschnitt SSD ist kleiner als der entsprechende benachbarte druckseitige Abschnitt PSD. Das Verhältnis des saugseitigen Abschnitts SSD zu den gesamten Bogenlänge BLD der Verbindungslinie CLTE zwischen den beiden Austrittskanten LITE der ersten Leitschaufeln LI beträgt zwischen 0,4 - 0,6 (0, 4<SSD/BLD<0, 6) . Diese Art der ungleichen Aufteilung des Strömungskanals FC zwischen den beiden ersten Leitschaufeln LI mittels der nachfolgenden Leitschaufel L2 führt zu einer besonders vorteilhaften verlustarmen Durchströmung des dritten Abschnitts S3.
Die Figuren 2 und 3 weisen für verschiedene Positionen der Rückführstufe BFS unterschiedliche Durchmesser auf. Der erste Abschnitt Sl erstreckt sich bis zu einem Durchmesser DO. Der zweite Abschnitt S2 erstreckt sich in Strömungsrichtung bis zu einem Durchmesser Dl. Diese beiden Durchmesser sind in dem Ausführungsbeispiel nahezu identisch. Die Eintrittskante L1LE der ersten Leitschaufeln LI befindet sich auf einem Durchmesser D2. Die Austrittskante LITE der ersten Leitschaufel LI befindet sich auf einem Durchmesser D3. Der dritte Ab¬ schnitt S3 erstreckt sich von dem Durchmesser Dl bis zu dem Durchmesser D6. Die Eintrittskanten L2LE der zweiten Leit- schaufeln L2 befinden sich jeweils auf einem Durchmesser D4. Die Austrittskanten L2TE der zweiten Leitschaufeln L2 befinden sich jeweils auf einem Durchmesser D5. Der nach dem dritten Abschnitt S3 sich anschließende vierte Abschnitt S4 be¬ ginnt an einem Durchmesser D6.

Claims

Patentansprüche
1. Rückführstufe (BFS) einer Radialturbofluidenergiemaschi- ne (RTFEM) , insbesondere eines Radialturboverdich- ters (RTC) , zur Umlenkung einer Strömungsrichtung (FD) eines aus einem sich um eine Achse (X) rotierenden Lauf¬ rads (IMP) austretenden Prozessfluids (PF) von radial außen nach radial innen,
umfassend einen sich ringförmig um die Achse (X) erstre- ckenden Rückführkanal (BFC) ,
der vier in Strömungsrichtung von dem Prozessfluid (PF) durchströmbare benachbarte Abschnitte (Sl, S2, S3, S4) auf¬ weist,
wobei ein erster Abschnitt (Sl) zur Leitung des Pro- zessfluids (PF) nach radial außen ausgebildet ist,
wobei ein zweiter Abschnitt (S2) zur Umlenkung des Pro- zessfluids (PF) von radial außen nach radial innen ausge¬ bildet ist,
wobei ein dritter Abschnitt (S3) zur Leitung des Pro- zessfluids (PF) nach radial innen ausgebildet ist,
wobei ein vierter Abschnitt (S3) zur Umleitung des Pro- zessfluids (PF) in axiale Richtung ausgebildet ist,
wobei der dritte Abschnitt (S3) erste Leitschaufeln (LI) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangsrichtung zueinander definieren,
wobei die Rückführstufe (BFS) stromabwärts der ersten Leit¬ schaufeln (LI) zweite Leitschaufeln (L2) aufweist, die Strömungskanäle (FC) des Rückführkanals (BFC) in Umfangs- richtung zueinander definieren,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Leitschaufeln (LI) ausschließlich im dritten Abschnitt (S3) angeordnet sind,
wobei die zweiten Leitschaufeln (L2) ausschließlich im dritten Abschnitt (S4) angeordnet sind.
2. Rückführstufe (BFS) nach Anspruch 1,
wobei ein Austrittskantendurchmesser (D3) der ersten Leitschaufeln (LI) in einem Verhältnis zu einem Eintrittskantendurchmesser (D2) der ersten Leitschaufeln (LI) zwischen 0,5*D2 < D3 < 0,68*D2 liegt, mit:
D2 : Eintrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln (LI)
D3 : Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln (LI ) .
3. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 oder 2,
wobei die ersten Leitschaufeln (LI) einen Metallaustrittswinkel (L2EA) zur Radialrichtung (RAD) aufweisen mit:
-5° < L1EA < 5°, mit
L1EA: Metallaustrittswinkel der ersten Leitschau¬ feln (LI) zur Radialrichtung (RAD) .
4. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche 1 bis 3,
wobei ein Eintrittskantendurchmesser (D4) der zweiten Leitschaufeln (L2) in einem Verhältnis zu einem Austrittskantendurchmesser (D3) der ersten Leitschaufeln (LI) zwischen 0, 9*D3 < D4 < D3, mit :
D3 : Austrittskantendurchmesser der ersten Leitschaufeln (LI)
D4 : Eintrittskantendurchmesser der zweiten Leitschaufeln (L2 ) .
5. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 4,
wobei eine Schaufelüberdeckung (QST) von Leitschaufeln (LI, L2) jeweils definiert ist als ein Quotient aus einer mittleren Profilsehnenlänge (RAS) und einem mittleren Bogenlängenabstand (CDT) in Umfangsrichtung (CD) der zueinander benachbarten Schaufeln, wobei für die zweiten Leitschaufeln (L2) eine Überdeckung
0,8 < RAS /CDT < 1,2 gilt, mit RAS: Profilsehnenlänge
CDT : Bogenlängenabstand.
6. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche 1 bis 5,
wobei die zweiten Leitschaufeln (L2) eine Differenz (DL2A) zwischen einem mittleren Metalleintrittswinkel (L2IA) und mittleren Metallaustrittswinkel (L2EA) aufweisen, für die gilt :
-5° < DL2A < 5° mit:
DL2A: Differenz zwischen mittleren Metalleintrittswinkel (L2IA) und mittleren Metallaustritts¬ winkel (L2EA) .
7. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Rückführstufe (BFS) gleich viele erste Leitschau¬ feln (LI) und zweite Leitschaufeln (L2) aufweist.
8. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 7, wobei genau eine zweite Leit¬ schaufel (L2) stromabwärts in Umfangsrichtung (CD) zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (LI) angeordnet ist.
9. Rückführstufe (BFS) nach mindestens dem vorhergehenden
Anspruch 8, wobei die ersten Leitschaufeln (LI) jeweils eine konkave Druckseite (PSL1) und eine konvexe Saugsei¬ te (SSL1) aufweisen und jeder Strömungskanal (FC) im Be¬ reich der ersten Leitschaufeln (LI) von einer Drucksei- te (PSL1) einer ersten Leitschaufel (LI) und einer Saugsei¬ te (SSL1) einer anderen benachbarten ersten Leitschaufel (LI) definiert ist, wobei die stromabwärts zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (LI) angeordnete zweite Leitschaufel (L2) in Umfangsrichtung (CD) näher an der Saugsei- te (SSL1) der anderen benachbarten ersten Leitschaufel (LI) angeordnet ist.
10. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Bogenlänge in Umfangs- richtung des Abstandes (BLD) zwischen den zwei Austritts¬ kanten (LITE) benachbarter erster Leitschaufeln (LI) von dem radialen Strahl (RS) durch die Eintrittskante (L1LE) der in Umfangsrichtung zwischen den beiden ersten Leitschaufeln (LI) angeordneten zweiten Leitschaufel (L2) in einen druckseitigen Abschnitt (PSD) und einen saugseitigen Abschnitt (SSD) geteilt wird, wobei gilt:
0,4 < SSD/BLD < 0,6 mit
SSD: Abschnitt
BLD: Abstandes.
11. Rückführstufe (BFS) nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche 1 bis 4, wobei die ersten Leitschau¬ feln (LI) und die zweiten Leitschaufeln (L2) fest und unbeweglich mit einem Stator (STAT) verbunden sind.
12. Radialturbofluidenergiemaschme (RTFEM) mit einer Rück¬ führstufe (BFS) mindestens einem der vorhergehenden Ansprü che 1 bis 3.
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