Mehrstufige, achsial arbeitende Turbomaschine. Die Erfindung betrifft eine mehrstufige, achsial arbeitende Turbomaschine, insbeson dere zur Verdichtung gasförmiger Medien, mit einer oder mehreren, zwischen zwei Stu fen eingeschalteten Wärmeaustauschflächen und besteht darin, dass zwischen der minde stens zum Teil ausserhalb der Stufen ange ordneten Austauschfläche und dem Austritt der vorhergehenden Stufe bezw. dem Ein tritt zur nachfolgenden Stufe sich erwei ternde bezw. verengende Verbindungskanäle vorgesehen sind, die das durchströmende Medium aus achsialer in radiale und schliess lich wieder in achsiale Richtung umlenken.
In Fällen, wo es darauf ankommt, die oberste Grenze des Nutzwirkungsgrades zu erzielen, wie z. B. bei Verdichtern für Gas turbinenanlagen, ist es erforderlich, Druck- und Wirbelverluste möglichst zu verringern. Nun ist bei achsialen Turbokompressoren die Einordnung eines Zwischenkühlers insofern schwieriger als bei radialen Turbokompresso ren, als die Entnahme des Mediums aus der Maschine für die Durchleitung durch den Zwischenkühler und die Wiedereinführung bei den ersteren nicht in gleich einfacher Weise geschehen kann wie bei den letzteren, bei denen das Medium beim Austritt aus der Stufe neben einer radialen noch eine tangen- tiale Geschwindigkeitskomponente hat,
was die Verwendung eines Spiralgehäuses sehr erleichtert.
Auch zeigt die Berechnung des Zwischen kühlers, dass dieser, insbesondere wenn er im Längsstrom arbeiten soll, in der Strömungs- r i ic htung nur sehr kurz sein darf und somit einen grossen Durchtrittsquerschnitt erhalten muss, um geringe Druckverluste zu ergeben.
Die Erfindung ermöglicht, einen grossen Durchtrittsquerschnitt für den Wärmeaus tauscher zu erzielen, so dass die Länge sehr kurz und der Druckabfall sehr klein gehalten werden kann.
Vorteilhafterweise kann durch die Rückwirkung des Wärmeaustauschers auf das den Diffusor durchströmende Me dium vor allem dann, wenn der Wärmeaus- tauscher unmittelbar am Diffusoraustritt an- geordnet ist, der diffusorartige Teil des vom Stufenaustritt zur Wärmeaustauschfläche führenden Kanals kürzer gehalten werden als ein Kanal, der dem für Diffusoren im Zusammenhang mit der Strömungsablösung üblichen Erweiterungsverhältnis entsprechen würde. Der Öffnungswinkel beim üblichen Erweiterungsverhältnis für Diffusoren be trägt 10 .
Auf der Zeichnung sind Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes schema tisch dargestellt.
Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch eine mehrstufige, achsial arbeitende Turbo maschine dar; Fig. 2 zeigt den Querschnitt II-II in Fig. 1; Fig. 3 und 4 zeigen die Ausbildung des Wärmeaustauschers in grösserem Massstab; Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausfüh rungsart des Wärmeaustauschers; Fig. 7 und 8 veranschaulichen Einrich tungen zur Verhinderung der Grenzschicht- ablösung; Fig. 9 bis 11 zeigen eine weitere Anord nung des Wärmeaustauschers.
Die Turbomaschine 1 in Fig. 1 wird durch die Kraftmaschine 2 angetrieben und ist als mehrstufiger, achsial arbeitender Ver dichter ausgebildet. Der Rotar 3 hat Lauf schaufeln 4, die mit den am Maschinen gehäuse 5 befestigten Leitschaufeln 6 Druck stufen bilden, in denen das durch den Saug stutzen 7 eintretende Medium sukzessive auf höheren Druck gebracht wird, um über den Druckstutzen 8 seinem Bestimmungszweck zugeführt zu werden. Der Verdichter kann z. B. einen Teil einer Verbrennungsturbinen anlage darstellen, wobei dann die verdichtete Luft aus dem Druckstutzen 8 über den bei solchen Anlagen üblichen Rekuperator der Reizvorrichtung bezw. dem Brennraum und von dort der Verbrennungsturbine zugeführt würde.
Zwischen der Stufe e und der Stufe f ist eine Wärmeaustauschfläche 9 eingeschaltet, die um den Verdichter 1 herum angeordnet ist. Die Wärmeaustauschfläche 9 ist inner- halb des Maschinengehäuses 5 eingebaut und verteilt sich auf mehrere um die Maschine herum angeordnete Räume 10 (Fig. 2). Vom Stufenaustritt 11 zur Wärmeaustauschfläche 9 führt der Kanal 12, 13, während der Ka nal 14 zwischen der Wärmeaustauschfläche 9 und dem Eintritt zur Stufe feingeschaltet ist. Die Strömungsrichtung des Mediums ver läuft vom Stufenaustritt 11 bis zum Eintritt zur Stufe f im wesentlichen in Meridian ebenen, d. h. Ebenen, die durch die Achse des Rotors 3 gehen. Das Kühlmittel für die Wärmeaustauschfläche 9 wird über die Lei tung 15 zu- und über die Leitung 16 ab geführt.
Die Wärmeaustauschfläche 9 besteht aus einzelnen Elementen 17, die in Fig. 3 und 4 in grösserem Massstab dargestellt sind. Ein zelne im Längsstrom, d. h. parallel zur Strö mungsrichtung angeordnete Rohre 18 mün den mit ihren Enden in Sammelrohre 19, die einen stromlinienförmigen Querschnitt zur Vermeidung von Wirbelbildungen in dem sie umströmenden, zu verdichtenden Medium aufweisen.
In Fig. 5 und 6 ist der Wärmeaus- tauscher 9 in dem Ringraum 20 unterge- bracht, der rings um die Maschine herum läuft und von dem beim Stutzen 21 eintre tenden und beim Stutzen 22 austretenden Kühlmittel durchflossen wird. Das zu ver dichtende Medium strömt im Gegensatz zu Fig. 1 bis 4 durch das Innere der Rohre 23 des Wärmeaustauschers 9.
Damit die im zu verdichtenden Medium enthalten(- Strömungsenergie am Stufenaus tritt 11 nicht verloren geht, ist der Kanal 13 vom Querschnitt 24 an diffusorartig ausge bildet, während der Kanal 12 bis zum Quer schnitt 24 konfusorartig ausgebildet ist, in dem der Querschnitt 24 kleiner ist als der Querschnitt des Stufenaustrittes 11.
Durch die Quersehnittsverringerung wird bei der Umlenkung der Strömung von der aehsialen in die radiale Richtung eine geringe Be schleunigung des Mediums bewirkt, so dass die Umlenkung im Kanal 12 praktisch ver- lustfrei vor sich geht. Nun ist aber die Länge des Kanals 13 verhältnismässig kurz, so dass der diffusorartige Kanal 13 sich auf kurzer Länge sehr stark erweitert.
Um zu verhindern, dass die Grenzschicht sich im Kanal 13 ablöst, was zu Verlusten führen würde, sind in Fig. 7 in der Wan dung des diffusorartigen Kanals 13 Öffnun gen 25 und 26 angebracht. Die Öffnungen 25 münden in eine Kammer 27, in welcher durch Anschluss mittels der Bohrung 28 an eine Stufe mit einem niedrigeren Druck als die Stufe e dauernd ein gegenüber dem Druck im Diffusor geringerer Druck auf recht erhalten wird. Die Öffnungen 26 sind durch den Kanal 29 mit dem Kanal 14 ver bunden, in dem infolge des Druckabfalles innerhalb des Wärmeaustauschers 9 eben falls ein geringerer Druck als im diffusor artigen Kanal 13 herrscht. Infolgedessen wird durch die Öffnungen 25 und 26 dauernd die Grenzschicht abgesaugt. Diese Öffnungen sind z. B. an Stellen angebracht, wo eine Ab lösung zu erwarten ist.
An Stelle der Absaugung der Grenz- schicht kann der diffusorartige Kanal 13 durch Zwischenwände 30 und 31 in mehrere diffusorartig sich erweiternde Teilkanäle 32 bis 34 unterteilt sein, die ebenfalls in be kannter Weise ein Ablösen der Grenzschicht verhindern. Der Teilkanal 34 ist ausserdem bis nahe zum Wärmeaustauscher 9 ver längert, weil bei der Umlenkung von der radialen in die achsiale Strömung der Krüm mungsradius der Stromlinien nahe der Wan dung 35 sehr klein ist und dort ein Ablösen der Grenzschicht verhindert werden soll. Aus demselben Grunde sind auch an andern Stel len mit scharfer Strömungsumlenkung, d. h.
mit kleinem Krümmungsradius, einzelne Umlenkflächen 36 in Fig. 1, 5 und 7 ange ordnet.
In den Fig. 9 bis 11 sind zwei Wärme austauschflächen vorgesehen, die zu beiden Seiten der Turbine angeordnet sind. Die Wärmeaustauscher 37, 38 sind aus geraden Rohren mit stromlinienförmigem Querschnitt (Fig. 10) hergestellt, deren Länge z. B. dem halben Umfang des Schaufelkranzes des Ro tors 3 entspricht, und die im Inneren im Sinne der Pfeile in Fig. 9 vom Kühl mittel durchflossen werden. Der Kanal 13 ist diffusorartig ausgebildet und durch Leit- wände 39 unterteilt, um das aus der Ma schine austretende Medium möglichst gleich mässig auf die ganze Länge der Wärmeaus- tauscher 37, 38 zu verteilen.
Die Wärmeaus- tauscher 37, 38 sind zweiteilig ausgeführt und die beiden Teile werden durch einen Umlenkkanal 40 verbunden, in welchem Schaufelgitter 41 zur verlustfreien Um lenkung eingebaut sind.
Die zwischen zwei Stufen eingeschaltete Wärmeaustauschfläche kann anstatt gänz lich ausserhalb des dem achsialen Strömungs weg zwischen zwei Stufen entsprechenden Raumes angeordnet zu sein, auch zum Teil innerhalb dieses Raumes gelegen sein, indem z. B. die Scheidewand zwischen den Kanälen 12, 13 und dem Kanal 14 hohl und vom Kühlmittel durchflossen ist.
Multi-stage, axially working turbo machine. The invention relates to a multi-stage, axially operating turbomachine, in particular for compressing gaseous media, with one or more heat exchange surfaces switched on between two stages and consists in the fact that between the exchange surface, which is at least partly outside the stages, and the outlet of the preceding one Level respectively the one occurs to the next level expanding respectively. Narrowing connecting channels are provided, which deflect the medium flowing through from the axial direction into the radial direction and finally into the axial direction again.
In cases where it is important to achieve the upper limit of the useful efficiency, such as B. in compressors for gas turbine systems, it is necessary to reduce pressure and eddy losses as possible. With axial turbo compressors, the classification of an intercooler is more difficult than with radial turbo compressors, as the removal of the medium from the machine for passage through the intercooler and reintroduction cannot be carried out in the same simple manner with the former as with the latter, with where the medium has a radial as well as a tangential velocity component when it leaves the stage,
which makes the use of a spiral housing much easier.
The calculation of the intermediate cooler also shows that it can only be very short in the direction of flow, especially if it is to work in the longitudinal flow, and must therefore have a large passage cross section in order to result in low pressure losses.
The invention makes it possible to achieve a large passage cross section for the heat exchanger, so that the length can be kept very short and the pressure drop can be kept very small.
Advantageously, due to the reaction of the heat exchanger on the medium flowing through the diffuser, especially when the heat exchanger is arranged directly at the diffuser outlet, the diffuser-like part of the channel leading from the step outlet to the heat exchange surface can be kept shorter than a channel that leads to the would correspond to the usual expansion ratio for diffusers in connection with the flow separation. The opening angle with the usual expansion ratio for diffusers is 10.
On the drawing execution examples of the subject invention are shown schematically table.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a multi-stage, axially operating turbo machine; Fig. 2 shows the cross section II-II in Fig. 1; 3 and 4 show the design of the heat exchanger on a larger scale; Fig. 5 and 6 show another Ausfüh approximately type of the heat exchanger; 7 and 8 illustrate devices for preventing boundary layer separation; 9 to 11 show another arrangement of the heat exchanger.
The turbo machine 1 in Fig. 1 is driven by the engine 2 and is designed as a multi-stage, axially working Ver denser. The Rotar 3 has running blades 4, which form pressure stages with the guide vanes attached to the machine housing 5 6, in which the medium entering through the suction 7 is successively brought to a higher pressure in order to be supplied to its intended purpose via the pressure connection 8. The compressor can e.g. B. represent part of a combustion turbine system, then the compressed air from the pressure port 8 via the usual recuperator of the stimulus device in such systems. would be fed to the combustion chamber and from there to the combustion turbine.
A heat exchange surface 9, which is arranged around the compressor 1, is connected between the stage e and the stage f. The heat exchange surface 9 is installed inside the machine housing 5 and is distributed over several rooms 10 arranged around the machine (FIG. 2). From the step outlet 11 to the heat exchange surface 9, the channel 12, 13 leads, while the channel 14 is fine-tuned between the heat exchange surface 9 and the entrance to the stage. The direction of flow of the medium runs from the step outlet 11 to the entry to the step f essentially in meridian planes, d. H. Planes that go through the axis of the rotor 3. The coolant for the heat exchange surface 9 is supplied via the device 15 and via the line 16 from.
The heat exchange surface 9 consists of individual elements 17, which are shown in FIGS. 3 and 4 on a larger scale. A single in the longitudinal stream, i.e. H. Pipes 18 arranged parallel to the direction of flow mün the with their ends in manifolds 19, which have a streamlined cross-section to avoid vortex formation in the medium flowing around them to be compressed.
In FIGS. 5 and 6, the heat exchanger 9 is accommodated in the annular space 20, which runs around the machine and through which the coolant entering at the connector 21 and exiting at the connector 22 flows. In contrast to FIGS. 1 to 4, the medium to be sealed flows through the interior of the tubes 23 of the heat exchanger 9.
So that the medium to be compressed (- flow energy at the step exit 11 is not lost, the channel 13 is formed diffuser-like from the cross-section 24 on, while the channel 12 up to the cross-section 24 is configured like a confuser, in which the cross-section 24 is smaller than the cross section of the step outlet 11.
The reduction in cross-section causes a slight acceleration of the medium when the flow is deflected from the axial to the radial direction, so that the deflection in the channel 12 is practically loss-free. Now, however, the length of the channel 13 is relatively short, so that the diffuser-like channel 13 widens very greatly over a short length.
In order to prevent the boundary layer from becoming detached in the channel 13, which would lead to losses, openings 25 and 26 are provided in FIG. 7 in the wall of the diffuser-like channel 13. The openings 25 open into a chamber 27 in which, by connection by means of the bore 28 to a stage with a lower pressure than stage e, a pressure which is lower than the pressure in the diffuser is permanently maintained. The openings 26 are ver through the channel 29 with the channel 14 connected, in which due to the pressure drop within the heat exchanger 9 just if a lower pressure than in the diffuser-like channel 13 prevails. As a result, the boundary layer is continuously sucked off through the openings 25 and 26. These openings are z. B. in places where a solution is expected from.
Instead of suctioning off the boundary layer, the diffuser-like channel 13 can be subdivided by partition walls 30 and 31 into several diffuser-like widening sub-channels 32 to 34 which likewise prevent the boundary layer from becoming detached in a known manner. The sub-channel 34 is also ver extended to close to the heat exchanger 9 because when deflecting from the radial to the axial flow of the curvature radius of the streamlines near the Wan extension 35 is very small and there a detachment of the boundary layer should be prevented. For the same reason are len with sharp flow deflection at other Stel, d. H.
with a small radius of curvature, individual deflection surfaces 36 in Fig. 1, 5 and 7 is arranged.
9 to 11 two heat exchange surfaces are provided, which are arranged on both sides of the turbine. The heat exchangers 37, 38 are made of straight tubes with a streamlined cross section (FIG. 10), the length of which is e.g. B. corresponds to half the circumference of the blade ring of the Ro sector 3, and the coolant flows through the inside in the direction of the arrows in FIG. 9. The channel 13 is designed like a diffuser and subdivided by guide walls 39 in order to distribute the medium exiting the machine as evenly as possible over the entire length of the heat exchangers 37, 38.
The heat exchangers 37, 38 are designed in two parts and the two parts are connected by a deflection channel 40, in which blade grids 41 are installed for loss-free deflection.
The switched on between two stages heat exchange surface can instead be arranged completely outside of the axial flow away between two stages corresponding space, also partially located within this space by z. B. the partition between the channels 12, 13 and the channel 14 is hollow and the coolant flows through it.