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Die Erfindung betrifft eine Radialturbofluidenergiemaschine umfassend mindestens einen Impeller eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors und einen Stator, wobei ein rotierender Strömungskanal des Impellers in einen stehenden Strömungskanal des Stators einmündet, wobei der Stator den Impeller zumindest teilweise umgibt, derart, dass mindestens eine axiale Begrenzungswand des Impellers nämlich eine Radscheibe und/oder eine Deckscheibe mit Begrenzungswänden des Stators gemeinsam mindestens einen Radseitenraum zumindest teilweise definiert, wobei sich zwischen dem Strömungskanal und dem mindestens einen Radseitenraum jeweils ein sich in Umfangsrichtung erstreckender Verbindungsspalt ergibt, der jeweils radial begrenzt ist durch eine umlaufende Rotorkante der jeweiligen axialen Begrenzungswand des Impellers und eine radial gegenüberliegende Statorkontur.
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Radiale Turbofluidenergiemaschinen finden Einsatz als Verdichter oder Expander. In der Regel wird beispielsweise bei einem Zentrifugalverdichter das Prozessfluid axial angesaugt und mittels mindestens eines Impellers bzw. Laufrades unter Umlenkung in Radialrichtung beschleunigt, so dass eine nachfolgende Verzögerung in einem Diffusor zu einer Druckerhöhung des Prozessfluids führt.
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Bei einem Zentripetalexpander verläuft die Strömung in umkehrte Richtung und der Prozess der Druckerhöhung und Beschleunigung findet ebenfalls in Umkehrung statt. Im Folgenden beziehen sich die meisten Ausführungen auf die Ausbildung der erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine als Verdichter, wobei mittels einer gedanklichen Umkehr der Strömungsrichtung und der entsprechenden strömungsdynamischen Prozesse von Verzögerung, Beschleunigung, Druckerhöhung oder Erniedrigung der Fachmann in der Lage ist, die jeweils offenbarten Sachverhalte auch auf den Turboexpander anzuwenden.
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Begriffe, wie radial, tangential, axial oder Umgangsrichtung beziehen sich stets auf eine Rotationsachse der Radialturbofluidenergiemaschine, wenn dies nicht anders angegeben ist.
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Eine eingangs definierte Radialturbofluidenergiemaschine in der Ausbildung als Verdichter ist bereits aus der
EP 1 433 960 B1 bekannt. Bei näherer Betrachtung der Figur dieser Druckschrift zeigt sich, dass das radiale Ende des Impellers beziehungsweise die radial begrenzende Rotorkante des Impellers, die den Abschluss einer Radscheibe oder einer Deckscheibe bildet, im Wesentlichen im Längsschnitt betrachtet sich als eine parallele Linie zu der Rotationsachse darstellt. Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben ergeben, dass diese herkömmliche Geometrie des Impellers zu einer überraschend starken Interaktion der lateral zwischen dem Impeller und dem Stator befindlichen Radseitenräumen und der Hauptströmung im Bereich des Impelleraustritts führt. Zwischen der radial außen befindlichen Rotorkante und dem Stator bildet sich ein in herkömmlicher Bauweise axial ausgerichteter Spalt, der sich in Umfangsrichtung erstreckt, wobei dieser Spalt, insbesondere bei kleinen Durchflussziffern – also bei einer Hochdruckanwendung der Fluidenergiemaschine, dem Austausch von Fluid zwischen den Radseitenräumen und der Hauptströmung in einem Maße dient, dass die Hauptströmung beziehungsweise der Strömungskanal im Stator teilweise verblockt werden kann. Diese starke Wirkung der Interaktion zwischen dem Radseitenraum und dem Hauptströmungskanal ist bisher unbekannt und das Problem ist auch für die Hochdruckanwendung beispielsweise bei Verdichtern daher ungelöst.
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Diese Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, das Problem der hohen Druckverluste im Strömungskanal des Stators im Bereich des Spaltes zwischen dem Impeller und dem Stator signifikant zu reduzieren.
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Zur Lösung des Problems schlägt die Erfindung eine Radialturbofluidenergiemaschine der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vor. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erkenntnis der Erfindung dass ein Druckverlust bei hohen Drücken in Folge der Verblockung aufgrund der Interaktion zwischen den Radseitenräumen und dem Strömungskanal im Stator im Bereich des Übergangs des Impellers zu dem Stator stattfinden kann, veranlasst die Erfindung dazu, die dortige Geometrie zu verändern. Die erfindungsgemäße Lösung für dieses Problem liegt darin, die Geometrie gemäß Anspruch 1 zu gestalten. In anderen Worten kann man die Lösung auch beschreiben als eine Schrägstellung des Verbindungsspaltes zu der Rotationsachse der Maschine, derart, dass der Verbindungsspalt nicht senkrecht auf die Hauptströmung durch den Strömungskanal des Stators beziehungsweise des Impellers trifft, sondern schräg angestellt. Die Schrägstellung ist hierbei derart, dass der in Anspruch 1 definierte Konus der Anschrägung der Radscheibe und/oder Deckscheibe einen inneren Konuswinkel aufweist, der größer 0° ist und bevorzugt zwischen 20° und 170° liegt. Besonders bevorzugt liegt der innere Konuswinkel zwischen 80° und 140°. Der Impeller erscheint auf diese Weise nach radial außen hin an der Radscheibe und/oder Deckscheibe angespitzt. Dazu korrespondierend ist die gegenüberliegende Statorkontur ebenfalls in gleicher Orientierung, wie die schrägen Rotorkanten, schräg ausgeführt, so dass Radialspiele eingehalten werden. Die gegenüberliegende Statorkontur ist hierbei in gleicher Weise schräg gestellt. Besonders bevorzugt folgt hierbei die gegenüberliegende Statorkontur der Schrägstellung der schrägen Rotorkanten, derart, dass die beiden Formen zueinander parallel sind.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rotorkante und die Statorkontur von zumindest bezüglich einer der beiden Begrenzungswände, bevorzugt für beide Begrenzungswände derart ausgebildet sind, dass sich der Spalt mit zunehmendem Konusdurchmesser aufweitet. Diese Ausbildung führt zu einer Verzögerung einer Strömung aus dem Radseitenraum in den Strömungskanal hinein und zu einer Beschleunigung in umgekehrte Richtung.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rotorkante und die Statorkontur von zumindest bezüglich einer der beiden Begrenzungswände, bevorzugt für beide Begrenzungswände derart ausgebildet sind, dass sich der Spalt mit zunehmendem Konusdurchmesser verjüngt. Diese Ausbildung führt zu einer Beschleunigung einer Strömung aus dem Radseitenraum in den Strömungskanal hinein und zu einer Verzögerung in umgekehrte Richtung.
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Insbesondere bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Radialturbofluidenergiemaschine als Turboverdichter ist die zwischen der Hauptströmung im Statorkanal und dem Radseitenraum interagierende Strömung durch den Spalt an die Strömungsrichtung zu einem gewissen Grad angeglichen beziehungsweise schräg angelegt. Kommt es beispielsweise zu einem Ausströmen aus dem Radseitenraum in den Strömungskanal des Stators ist die Reichweite dieser Störung in den Strömungskanal hinein geringer als bei der herkömmlichen Ausführung dieses Spaltes.
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In der Folge ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher verdeutlicht. Es zeigt:
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1: einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung mit einem Impeller und einem Stator einer Radialturbofluidenergiemaschine.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch einen Teil eines Impellers IMP und eines Stators S einer Radialturbofluidenergiemaschine RTF. Der Impeller IMP ist Teil eines Rotors R, der drehbar um eine Achse X in nicht dargestellter Weise gelagert ist. Der Impeller IMP umfasst nicht dargestellte Schaufeln, die sich zwischen einer Radscheibe RW und einer Deckscheibe CW erstrecken. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Deckscheibe CW fortgelassen ist oder sich nicht über die gesamte axiale und radiale Ausdehnung des Impellers IMP erstreckt. In diesem Fall beziehen sich die erfindungsgemäßen Ausbildungen lediglich auf die Seite der Radscheibe RW. Die besten Vorteile erbringt die Erfindung allerdings bei einem sogenannten geschlossenen Impeller IMP, der eine Deckscheibe CW aufweist. Die Deckscheibe CW und die Radscheibe RW können als seitliche Begrenzungswände des Impellers IMP bezeichnet werden, wobei die seitlichen Begrenzungswände radial außen von einer umlaufenden Rotorkante RE abgeschlossen sind. Der Impeller IMP ist zumindest teilweise von einem Stator S umgeben, wobei der Stator S einen Strömungskanal SC ausbildet, durch den ein Prozessfluid PF während des Betriebes strömt. Die 1 zeigt die Strömungsrichtung des Prozessfluids PF für den Fall, dass es sich bei der Radialturbofluidenergiemaschine um einen Turboverdichter handelt. In diesem Fall durchströmt das Prozessfluid PF den Impeller IMP radial nach außen durch einen rotierenden Strömungskanal RC, der in einen stehenden Strömungskanal SC des Stators S radial einmündet. Zwischen dem Stator S und dem Impeller IMP ist seitens der Deckscheibe CW ein erster Radseitenraum CSW1 und seitens der Radscheibe RW ein zweiter Radseitenraum CSW2 angeordnet. Zwischen dem stehenden Strömungskanal SC und den Radseitenräumen CSW1, CSW2 existiert auf beiden Seiten jeweils ein Verbindungsspalt GRW, GCW. Im Betrieb tritt in den Verbindungsspalten GRW, GCW eine Strömung auf, derart dass die Radseitenräume CSW1, CSW2 mit der Hauptströmung in dem stehenden Strömungskanal SC interagieren – also auch die Strömung in dem Strömungskanal SC messbar beeinflusst wird.
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Erfindungsgemäß sind die Statorkontur SRWC, SCWC und die Rotorkante RE auf zumindest einer axialen Seite derart ausgebildet, dass eine sich in Umfangsrichtung und den Abstand zwischen der Statorkontur SRWC, SCWC und der Rotorkante RE radial mittig teilende Fläche CS ausgebildet ist, die an den axialen Spaltenden einen diese Fläche als Sekantenfläche schneidenden Konus CC definiert, der sich mit zunehmender axialer Nähe zum stehenden Strömungskanal SC radial aufweitet. Diese Geometrie der Verbindungsspalte GRW, GCW führt dazu, dass eine interagierende Strömung zwischen den Radseitenräumen CSW1, CSW2 und der Hauptströmung in dem stehenden Strömungskanal SC sich auf den axialen Randbereich – also die Wände des stehenden Strömungskanals SC beschränkt und auf diese Weise eine Verblockung und ein erhöhter Druckverlust in dem stehenden Strömungskanal SC insbesondere bei Hochdruckanwendung, verhindert werden.
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Bei der in der 1 dargestellten bevorzugten Ausführung sind mindestens eine umlaufende Rotorkante RE und die radial gegenüberliegende Statorkontur SRWC, SCWC des Stators S derart ausgebildet, dass eine sich in Umfangsrichtung und den Abstand zwischen der Statorkontur SRWC, SCWC und der Rotorkante RE radial mittig teilende Fläche CS einen Konus ausbildet, der sich mit zunehmender axialer Nähe zum stehenden Strömungskanal radial aufweitet.
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Die in der 1 eingezeichneten Doppelpfeile DA und die sich an die Doppelpfeile DA anschließenden Strömungslinien FPL in stehenden Strömungskanal SC zeigen schematisch die Wirkungsweise der Erfindung. Durch die reduzierte Versperrung des Strömungsquerschnittes kommt es zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und des Fahrbereiches des Verdichters. Als Sekundäreffekt verringern sich die Reibungsverluste an den äußeren Mantelflächen von Radscheibe RW und Deckscheibe CW.
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Bevorzugt weist die Konusfläche CS einen Innenwinkel a zwischen a = 10° bis a = 110° auf.
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Die Verbindungsspalte sind derart ausgebildet, dass eine Rotorkante RE und die gegenüberliegende Statorkontur SRWC, SCWC derart ausgebildet sind, dass die beiden Formen zueinander parallel sind.
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In 1 in einer ersten Alternativen Ausführung AA1 (gestrichelte Linien, die den Spalt begrenzen auf der linken Deckscheibenseite) sind die Verbindungsspalte derart gestaltet, dass eine Rotorkante RE und die gegenüberliegende Statorkontur SRWC, SCWC einen sich in Richtung zunehmendem Konusdurchmessers aufweitenden Spalt definieren.
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In 1 in einer zweiten Alternativen Ausführung AA2 (gestrichelte Linien, die den Spalt begrenzen auf der rechten Radscheibenseite) sind die Verbindungsspalte derart gestaltet, dass eine Rotorkante RE und die gegenüberliegende Statorkontur SRWC, SCWC einen sich in Richtung zunehmendem Konusdurchmessers verjüngenden Spalt definieren
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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