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Die Erfindung betrifft eine Rückführstufe eines Radialturboverdichters, mit einem Rückführkanal definiert von einer Innenkontur und einer Außenkontur, wobei der Rückführkanal sich in Umfangsrichtung um eine Achse erstreckt und zur Umlenkung eines Prozessfluids aus einer nach radial außen weisenden Strömungsrichtung in eine nach radial innen weisenden Strömungsrichtung vorgesehen ist, umfassend einen stromab eines Laufrads des Radialturboverdichters angeordneten Diffusor, eine stromab des Diffusors angeordnete Umlenkung und eine stromab der Umlenkung angeordnete Rückführung.
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Ausdrücke, wie axial, radial, tangential oder Umfangsrichtung beziehen sich in der Begriffswelt der Erfindung stets auf die Achse, um die sich der Rückführkanal erstreckt, sofern nicht anders angegeben.
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Radialturboverdichter saugen in der Regel ein Prozessfluid axial zu einer Rotationsachse oder schräg zu der Rotationsachse mit einer axialen Geschwindigkeitskomponente an und beschleunigen und verdichten dieses Prozessfluid mittels eines Laufrads – das auch als Impeller bezeichnet wird –, das die Strömungsrichtung des Prozessfluids in die radiale Richtung nach außen umlenkt. An das Laufrad schließt sich bei einem mehrstufigen Radialturboverdichter stromabwärts eine sogenannte Rückführstufe ein. Aus der Mehrstufigkeit des Radialturboverdichters ergibt sich das Erfordernis, dass das radial aus dem Laufrad ausströmende Prozessfluid wieder zurück in Richtung der Rotationsachse geführt werden muss und mit einer axialen Geschwindigkeitskomponente in das nachfolgende Laufrad der stromabwärtigen Stufe einströmen kann. Diese Strömungsführung, die die Rückführung des Prozessfluids ermöglicht, nennt sich dementsprechend Rückführstufe.
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Bei einer mehrstufigen Radialturbomaschine, mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, handelt es sich in der Regel um eine Anordnung, bei der mehrere Laufräder um die gleiche Rotationsachse drehbar angeordnet sind. Die bevorzugte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass die einzelnen Laufräder jeweils aus der gleichen Axialrichtung das Prozessfluid ansaugen und jeweils radial ausstoßen, wobei es besonders bevorzugt ist, dass die Laufräder sich auf einer gemeinsamen Welle befestigt um die Rotationsachse drehen.
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Nach dem Austritt aus dem Laufrad bzw. dem Impeller gelangt das Prozessfluid in einen Diffusor, in dem auch in Folge des sich radial erweiternden Ringraums des Diffusors das Prozessfluid verzögert wird und dementsprechend der Druck zunimmt. Eine stromabwärts befindliche Umlenkung führt das Prozessfluid im Bogen um etwa 180° von radial außen nach radial innen. Eine sich an den Bogen bzw. die Umlenkung anschließende Rückführung ist nach der Erfindung bevorzugt beschaufelt ausgeführt, damit die kinetische Energie in Form des Dralls des Fluids aus der Beschleunigung in Umfangsrichtung durch das stromaufwärtige Laufrad in statischen Druck umgewandelt wird (Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie). Diese Schaufeln werden auch als Rückführschaufeln oder Rückführleitschaufeln (return guide vanes) bezeichnet. Im Anschluss an die Rückführung wird das Prozessfluid um 90° in die axial-parallele Richtung zum Eintritt in das stromabwärtige Laufrad der Folgestufe umgelenkt.
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Bei Verdichterstufen mit hoher Durchflussziffer und den damit erforderlichen größeren Kanalbreiten weist die Strömung nahe der Innenkontur stromabwärts des 180°-Bogens der Umlenkung eine geringere Radialgeschwindigkeitskomponente auf und neigt daher zur Ablösung von der Oberfläche der Innenkontur. Dieses Strömungsbild führt zu erhöhten unerwünschten Verlusten. Nahe der Außenkontur sind die Strömungswinkel steiler nach radial innen gerichtet als im Bereich der Innenkontur (bezogen auf eine in Axialrichtung gerichtete Betrachtungsperspektive). Derartige Unterschiede über die Breite des Ringraums im Bereich der Rückführung hinsichtlich der Anströmung der Rückführschaufeln (Inzidenzwinkel) sind nur mit höherem Aufwand in der Schaufelauslegung bzw. Fertigung zu berücksichtigen, insbesondere deswegen, weil das beschriebene Phänomen auch von dem Betriebspunkt abhängig ist. Mit einer – gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung – zylindrisch ausgeführten Rückführbeschaufelung (unter zylindrisch wird hier eine Schaufel verstanden, die entlang ihrer Höhenerstreckung ein konstantes Profil aufweist und bei der die Höhenerstreckung entlang einer geraden Linie erfolgt und bei der es keine Verdrehung des Profils entlang der Höhenrichtung gibt – derartige Schaufeln werden auch als zweidimensionale Schaufeln bezeichnet) ist eine Berücksichtigung einer derartigen Anströmung nicht möglich, so dass es zu erhöhten Druckverlusten bzw. Wirkungsgradeinbußen kommt. In anderen Worten bedeutet das, dass die unweigerliche Folge des über die Höhe nicht konstanten Strömungswinkels große Inzidenzwinkel über die Schaufelhöhe bei 2D-Schaufeln in der Rückführbeschaufelung ist und damit hohe Inzidenzverluste auftreten.
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Das zuvor beschriebene Problem verschärft sich insbesondere in jüngerer Zeit zusätzlich, aufgrund der Forderung nach immer größeren spezifischen Durchflüssen. Zusätzliche Verstärkung des Problems ergibt sich dadurch, dass die radiale Erstreckung der Maschinen für gegebene Laufradaustrittsdurchmesser im Interesse kleineren Bauraums immer weiter reduziert wird, so dass der Eintrittsdurchmesser der Rückführbeschaufelung auch immer kleiner dimensioniert wird. In der Konsequenz bedeutet das, dass der Strömungsweg vom Laufradaustritt zum Eintritt in die Rückführbeschaufelung der Rückführung bezogen auf die Kanalbreite zunehmend reduziert wird. Dementsprechend kann sich die stark inhomogene Strömung am Laufradaustritt bis zum Eintritt in die Rückführung nicht homogenisieren, so dass es zu hohen Ablösungsverlusten und Inzidenzverlusten kommt.
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Ausgehend von den Problemen und Nachteilen des Standes der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Weiterbildung einer Rückführstufe zu schaffen, die die beschriebenen Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Rückführstufe der eingangs definierten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs vorgeschlagen. Außerdem wird ein Radialverdichter mit einer derartigen Rückführstufe vorgeschlagen. Die jeweils rückbezogenen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei der Rückführstufe gemäß der Erfindung handelt es sich um einen Ringraum, der sich um eine Achse bzw. Rotationsachse eines Radialturboverdichters erstreckt und ein Prozessfluid von einem stromaufwärtigen Laufrad oder Impeller empfängt, um dieses einem stromabwärtigen Laufrad zuzuführen. Der Ausdruck „stromab eines Laufrads des Radialturboverdichters“ ist hierbei gleichbedeutend, wie „eingangs der Rückführstufe“.
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Dieser Ringraum der Rückführstufe ist definiert von einer Innenkontur und einer Außenkontur, wobei die Innenkontur sich gegenüber der Außenkontur zumindest abschnittsweise (im Bereich der Umlenkung) radial weiter innen befindet. Sowohl die Innenkontur als auch die Außenkontur sind jeweils Bestandteil stehender Bauteile. Die Terminologie der Erfindung teilt die Rückführstufe in der Strömungsrichtung beginnend am Laufradaustritt bzw. dem Eintritt in die Rückführstufe in aufeinanderfolgende Abschnitte auf. Hierbei handelt es sich um den Diffusor, die Umlenkung und die Rückführung. Im Anschluss an die Rückführung umfasst die Rückführstufe in der Regel auch eine axiale Zuführung zu der nachfolgenden Verdichtungsstufe, die im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung jedoch keine wesentliche Bedeutung aufweist. Auch wenn der erste Abschnitt als Diffusor bezeichnet ist, bedeutet das nicht, dass die anderen Abschnitte keine aerodynamische Diffusorfunktion haben oder haben können. Im ersten Abschnitt ist die Diffusorfunktion in Folge der nach radial außen gerichteten Strömungsrichtung nahezu zwingend und besonders deutlich. Die Umlenkung kann im Wesentlichen eine 180°-Umlenkung sein, aber auch von diesem Winkelbereich um ca. +/–30° abweichen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Rückführstufe sieht vor, dass eine Zunahme, insbesondere eine kontinuierliche Zunahme der Kanalbreite in Strömungsrichtung erfolgt. Unter Kanalbreite wird hierbei eine Erstreckung des Kanals von der Innenkontur bis zur Außenkontur bezeichnet, die definiert ist von dem Durchmesser in der lichten Weite eingetragener Kreise bzw. Kugeln. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Kanalbreite im Bereich des Diffusors konstant ist, im Bereich der Umlenkung in Strömungsrichtung zunimmt und im Bereich der Rückführung auch in Strömungsrichtung zunimmt.
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Die Absaugeinrichtung nach der Erfindung saugt die energiearme Strömung in der Nähe der Innenkontur im Bereich der Umlenkung oder stromabwärts der Umlenkung ab, so dass es zu einer geringen oder gar keinen Ablösung mehr kommt. In Folge der Absaugung der Ablösung wird die Strömung effektiver umgelenkt, so dass sich auch eine Verringerung der Inzidenzverluste ergibt. Die Reduktion der Fehlanströmung der Rückführschaufeln kann auch zu einer geringeren aerodynamischen Belastung führen.
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In Folge dieser aerodynamischen Homogenisierung über die Kanalbreite gelingt es außerdem, die Anströmung des nachfolgenden Laufrades zu verbessern, so dass sich eine effizientere und ruhigere Arbeitsweise der gesamten Strömungsmaschine ergibt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Absaugungen gleichmäßig über dem Umfang verteilt sind. Auf diese Weise gelingt es besser, die Ablösungen aus dem Strömungsbild entlang des gesamten Umfangs des Ringraums der Rückführstufe vor der Rückführbeschaufelung zu beseitigen oder zu reduzieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Anzahl der Verbindungskanäle identisch ist mit der Anzahl der Absaugungen. Alternativ können auch mehrere Absaugungen in einen Verbindungskanals einmünden. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn der Verbindungskanals einen größeren Durchmesser aufweist und demensprechend auch bei Verschmutzungen weniger anfällig ist, zu verstopfen. In diesem Zusammenhang ist es erwähnenswert, dass die Wahrscheinlichkeit von Verstopfungen der Verbindungskanäle durch Verschmutzungen des Prozessfluids gering ist, da etwaige größere oder schwerere Partikel sich aufgrund von Zentrifugalkräften nicht entlang der Innenkontur im Bereich der Absaugungen im Betrieb der Radialturbomaschine bewegen.
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Besonders bevorzugt weisen die Verbindungskanäle zumindest einen Bohrungsabschnitt auf. Das Bohren der Verbindungskanäle stellt hierbei ein einfaches Fertigungsverfahren dar. Zweckmäßig können die Verbindungskanäle auch aus zwei zueinander schräg ausgeführten Bohrungsabschnitten bestehen oder diese umfassen, wobei besonders bevorzugt diese beiden Bohrungsabschnitte einen Winkel zwischen 60°–170° zueinander aufweisen können.
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In der Folge ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Rückführstufe eines Radialturboverdichters nach der Erfindung,
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2 ein Schnitt gemäß dem in 1 ausgewiesenen Schnitt II-II.
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Begriffe wie axial, radial, Umfangsrichtung oder tangential sind in der Terminologie dieser Erfindung stets – wenn nicht anders angegeben – auf einer Rotationsachse X eines Radialturboverdichters RTC nach der Erfindung bezogen.
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Die 1 zeigt einen axialen Längsschnitt mit einer Rückführstufe RC eines Radialturboverdichters RTC, der im unteren Bereich der Darstellung lediglich symbolisch angedeutet ist. Die Rückführstufe RC weist einen Rückführkanal RCH auf, der von einer Innenkontur IC und einer Außenkontur OC definiert ist. Die Innenkontur IC befindet sich radial weiter innen als die Außenkontur OC.
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Der Rückführkanal RCH ist ein sich in Umfangsrichtung CD um die Achse X erstreckender Ringkanal zur Umleitung eines Prozessfluids PF auf einer radial außen weisenden Strömungsrichtung in eine nach radial innen weisende Strömungsrichtung.
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Stromaufwärts des Rückführkanals RCH befindet sich ein Laufrad IMP, das ein Prozessfluid PF einer ersten Stufe ST1 nach radial außen in Umfangsrichtung beschleunigt. Stromabwärts der ersten Stufe ST1 befindet sich eine zweite Stufe ST2 und eine dritte Stufe ST3. Das Prozessfluid PF tritt durch eine Einströmung IM in den Radialturboverdichter RTC ein und verlässt nach der dritten Stufe ST3 den Radialturboverdichter RTC durch eine Abströmung EX.
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Der Rückführkanal RCH weist in der Terminologie der Erfindung stromabwärts des Laufrades IMP drei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte auf: einen Diffusor DIF, eine Umlenkung UT und eine Rückführung RTN. Die Rückführung RTN weist eine Rückführbeschaufelung RV auf. Die Rückführbeschaufelung ist hier zylindrisch ausgeführt (gemäß der vorherigen Erläuterung). Bei der Durchströmung der Umlenkung und bei Eintritt in die Rückführung RTM kommt es bei hohen Durchflüssen zu Ablösungen im Bereich der Innenkontur IC. Die Innenkontur IC befindet sich im Bereich der Umlenkung radial weiter innen als die Außenkontur OC. Wird die Umlenkung als eine Art Kurve gesehen, liegt die Innenkontur auch hinsichtlich der Kurve innen. In den anderen Abschnitten ist die Bezeichnung „Innenkontur“ bzw. „Außenkontur“ zweckmäßig im Sinne einer Fortsetzung dieser Oberflächen beibehalten.
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Die Erfindung sieht vor, dass an der Innenkontur IC im Bereich der stromabwärtigen 50% der Bogenlänge der Umlenkung und/oder stromaufwärtigen 30% der Bogenlänge des Rückführkanals RTC über den Umfang verteilte Absaugungen SM vorgesehen sind.
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Der Bereich, in dem erfindungsgemäß Absaugungen SN vorgesehen sind erstreckt sich – in Strömungsrichtung aufgeführt – beginnend, bezogen auf die Bogenlänge der in einer Axialebene längsgeschnittenen Innenkontur IC, in der Hälfte der Innenkontur IC bis in die ersten 30% der Rückführung RTM.
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Stromaufwärts der Absaugungen SN sind erfindungsgemäß an der Innenkontur angeordnete Einmündungen IM vorgesehen, wobei jede Absaugung SN mit einem Verbindungskanal SC in strömungsführender Verbindung steht und jede Einmündung IP auch mit einem Verbindungskanal SC in strömungsführender Verbindung steht, so dass abgesaugtes Prozessfluid PF von den Absaugungen SN zu den Einmündungen IP stromaufwärts der Absaugungen gelangen kann. Ein Antrieb dieser Absaugeeinrichtung SNS ist nicht erforderlich, weil die in einer Rückführstufe RC sich ohnehin ergebenden Druckverhältnisse eine derartige Durchströmung zu Folge haben.
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Die 2 zeigt in dem in der 1 ausgewiesenen Querschnitt II-II zwei alternative Positionen für die Absaugungen SN, SN´(SN´strichpunktiert) beispielhaft. Die Verbindungskanäle SC können hierbei vorteilhaft – wie dargestellt – auch Verzweigungen BF aufweisen, so dass mehrere Absaugungen SN in einem Verbindungskanal SC zusammenfassbar sind. Die Absaugungen können in Umfangsrichtung CD länglich ausgebildet sein, so dass keine punktuelle Störung der Strömung durch die Absaugung SN vorliegt sondern annähernd entlang des gesamten Umfangs die Ablösung abgesaugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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