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Axialverdichter Die Erfindung betrifft axial durchströmte Verdichter;
ihr Ziel ist Stabilisierung des Betriebes des Verdichters, wenn dessen Drehzahl
wesentlich von der optimalen, die allgemein als Auslege- oder Nenndrehzahl bezeichnet
wird, abweicht. Die Erfindung ist sowohl auf einstufige als auch auf mehrstufige
Verdichter anwendbar.
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Wenn mehrstufige Kreiselverdichter mit einer kleineren als der Auslegedrehzahl
arbeiten, also der Druckanstieg pro Stufe geringer ist als der Auslegedruckanstieg,
hat die Verringerung der axialen Geschwindigkeit des Gasstromes am Eintritt des
Verdichters zur Folge, das der Anströmwinkel an den Laufschaufeln der Eingangsstufen
des Verdichters größer als der ausgelegte wird, so daß die Strömung an den Schaufeln
abreißt, wenn die Drehzahl genügend verringert ist. Das Abreißen tritt jedoch nicht
gleichzeitig auf der ganzen Fläche des Schaufelkranzes ein, sondern anfangs nur
an bestimmten Stellen. An diesen Stellen fällt dann die Axialgeschwindigkeit wesentlich
ab, so daß der Gasstrom auf die Stellen konzentriert wird, an denen noch kein Abreißen
stattgefunden hat, und daß an diesen Stellen eine Axialgeschwindigkeit aufrechterhalten
wird, die hoch genug ist, weiteres Abreißen an diesen Stellen zu verzögern.
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Es ist bekannt, das Abreißen an den Schaufeln der Eintrittsstufen
mehrstufiger Verdichter bei unternormaler Drehzahl dadurch zu verhindern, daß man
dort den Strömungskanal verengt, und zwar entweder mechanisch durch Irisblenden
oder pneumatisch durch Einblasen zusätzlichen Fördermittels von höherem Druck durch
einen ringförmigen Spalt in der Wandung des Strömungskanals. Dieses letztere Mittel
benutzt auch die Erfindung.
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Die Erfindung betrifft also einen Axialverdichter, bei dem in eine
seiner Stufen bei Betrieb unterhalb der Nenndrehzahl zusätzliches Fördermittel höherenDrukkes
durch einen oder mehrere Ringspalte in der Wand bzw. den Wänden des Strömungskanals
eingeblasen wird.
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Bei dem bekanntenVerdichter dieserArt ist dieBlasrichtung wesentlich
axial und der Förderrichtung gleichsinnig. Das erfordert ein beträchtliches Volumen
an Zusatzgas.
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Dieses Volumen will die Erfindung verringern. Sie besteht darin, daß
der Spalt bzw. die Spalte so gerichtet ist bzw. sind, daß das Zusatzgas mit einer
dem axialen Förderstrom entgegengesetzten Richtungskomponente eingeblasen wird.
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Dadurch wird in der vom Zusatzgas-Blasstrom erreichten Ringzone des
Schaufelkranzes ein Stau gebildet, der den Förderstrom in die übrige Zone abdrängt.
Es wird also in der Stauzone das Abreißen bewußt in Kauf genommen und sogar herbeigeführt,
aber dafür wird in der übrigen Zone das Abreißen um so sicherer vermieden, und es
wird nur eine relativ geringe Menge Zusatzgas benötigt.
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Im folgenden werden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben. Die Figuren stellen Teilquerschnitte im Aufriß dreier
verschiedener mehrstufiger Axialverdichter gemäß der Erfindung dar.
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In Fig. 1 sind die Laufschaufeln des Verdichters, dessen erster Schaufelkranz
mit 10 bezeichnet ist, auf einer Trommel 11 befestigt, die innerhalb eines stationären
Gehäuses 12 drehbar gelagert ist; dieses Gehäuse 12 trägt Leitschaufeln; der erste
Leitschaufelkranz 13 befindet sich in einem ringförmigen Ansaugstutzen 14, der vor
dem ersten Laufschaufelkranz an den Verdichter anschließt und einen Eintrittsleitschaufelkranz
bildet; die folgenden Leitschaufelkränze 15 wechseln in bekannter Weise. mit den
Lauf schaufelkr änzen ab.
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In bekannter Weise befinden sich die längsten Schaufeln, nämlich die
Leitschaufeln 13, am Eintrittsende; die kürzesten Schaufeln befinden sich am Austrittsende
des Verdichters; zwischen Eintritts- und Austrittsende des Verdichters werden die
Schaufeln nach und nach kürzer.
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Erfindungsgemäß wird in einer Zwischenstufe oder im Auslaß des Verdichters
Druckgas abgezapft und durch ein Kanalsystem, das durch 19 teilweise angedeutet
ist, zu einem Ringkanal 16 des Gehäuses 12 geleitet; der Ringkanal 16 umgibt
den Eintrittsleitschaufelkranz
13. Der Ringkanal 16 steht durch
eine Anzahl von Durchbrüchen 17 mit einem in dem Gehäuse 12 unmittelbar vor den
Schaufelenden des ersten Laufschaufelkranzes 10 eingelassenen Ringspalt 18 in Verbindung.
An Stelle des Ringspalts 18 kann eine Anzahl von ringförmig angeordneten Spalten
in dem Gehäuse 12 unmittelbar vor dem Kranz 10 vorgesehen sein.
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Der Ringspalt 18 kann etwa als Düse ausgebildet sein und ist so angeordnet,
daß durch ihn das ihm zugeführte Gas mit einer dem Gasstrom im Strömungskanal des
Verdichters entgegen gerichteten Bewegungskomponente eingeblasen wird. In dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist der Spalt 18 so ausgebildet, daß das Gas unter einem Winkel
von etwa 60° gegen die Rotationsachse des Rotors 11 eingeblasen wird.
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Die ,Menge des aus den hinteren Verdichterstufen abgezapften und durch
das Leitungssystem 19 zum Spalt 18 geführten Gases wird durch ein Ventil (nicht
eingezeichnet) in dem Leitungssystem gesteuert; sie kann bis zu 2 % des gesamten
durch den Verdichter fließenden Gasstromes betragen. Jenes Steuerventil kann in
an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, daß es mit zunehmender Verdichterdrehzahl
nach und nach schließt, und umgekehrt; allerdings kann für den Fall, daß der Verdichter
einem Gasturbinenaggregat zugehört, das Ventil so gestaltet werden, daß es mit steigender
Brennstoffbeschickung der Maschine schließt, und umgekehrt.
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Wenn die Verdichterdrehzahl in dem vorliegenden Beispiel genügend
weit unter die Auslegedrehzahl gesunken ist, neigt, solange durch den Spalt 18 kein
Gas eingeblasen wird, der Gasstrom in dem Hauptströmungskanal des Verdichters zur
Umkehr an den Schaufelenden des ersten Laufschaufelkranzes und zur Ausbildung von
Wirbeln, welcher Vorgang bekanntlich zonenweise beginnt.
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Läßt man durch den Spalt 18 Gas einströmen, so wird den an den Schaufelenden
des Laufschaufelkranzes 10 bestehenden Wirbeln Energie zugeführt mit der Folge,
daß diese Wirbel sich zusammenschließen und einen einzigen stabilen, toroidförmigen
Wirbel bilden. Die Gaseinführung gewährleistet, daß alle Schaufelenden in dem ersten
Laufschaufelkranz von dem toroidförmigen Wirbel umgeben sind, und hat zur Folge,
daß sich eine Wirbelablösungszone von verhältnismäßig einheitlicher Ringform ausbildet
und in-0 1 Übergang in den Zustand der i ' Igedessen ein
- atter vollen Ablösung erfolgt. Zusätzlich schafft die eingeblasene Luft
eine von dem toroidförmigen Wirbel erfüllte tote Zone mit dem Ergebnis, daß die
wirksame Ouerschnittsfläche des Hauptströmungskanals des Verdichters an dem ersten
Laufschaufelkranz verringert wird. Durch Verringerung der wirksamen Querschnittsfläche
des Hauptströmungskanals an dieser Stelle -..wird die Geschwindigkeit des Gasstromes
über die Schaufeln des ersten Laufschaufelkranzes und die «-eiter stromabwärts liegenden
Schaufelkränze erhöht; dies hat zur Folge, daß die effektive Anpassung der Eingangsstufen
des Verdichters an die restlichen Verdichterstufen verbessert wird mit dem Ergebnis,
daß ein größerer Durchströmungsbereich möglich ist.
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Natürlich kann das Gas in dem Hauptströmungskanal bei mehreren Schaufelkränzen
eingeblasen werken. Die besten Ergebnisse treten bekanntlich dann auf, v: enn die
Einführung an dem Laufschaufelkranz mit den längsten Schaufeln erfolgt, wie dies
oben beschrieben wurde. Jedoch kann die Einführung des Gases durch den Spalt auch
vor den Eintrittsleitschaufeln 13 angebracht sein: Es versteht sich, daß bei dieser
Anordnung der Spalt 18 nicht unmittelbar vor den Eintrittsleitschaufeln gelegen
zu sein braucht, sondern auch um eine gewisse Strecke von diesen entfernt Sein darf,
vorausgesetzt, daß er sich, in Stromrichtung gesehen, hinter dem Anschluß des Luftansaugstutzens
befindet. Vorzugsweise ist der Spalt jedoch um weniger als eine Schaufellänge von
den Leitschaufeln entfernt, wobei als Schaufellänge die Länge der Leitschaufeln
gerechnet wird. Später wird unter Bezug auf Fig. 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel
beschrieben werden, in dem ein Spalt wie der mit 18 bezeichnete, in Stromrichtung
gesehen, unmittelbar vor dem Eintrittsleitschaufelkranz des Verdichters gelegen
ist.
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Für den Fall, daß die Lufteinführung, in Stromrichtung gesehen, unmittelbar
vor einem Laufschaufelkranz erfolgt, ist es möglich, die Erfindung zusätzlich oder
ausschließlich auf die kürzeren Laufschaufeln des in Fig.1 beschriebenen Verdichters
anzuwenden, also Abreißen zu verhindern, wenn die Drehzahl des Verdichters über
der Auslegedrehzahl liegt, wenn also der Druckanstieg pro Stufe größer ist als der
Auslegedruckanstieg. Dieser Fall könnte auftreten, wenn höchster Wirkungsgrad des
Verdichters bei unvollständiger Aufladung erreicht werden soll.
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In Fig.2 sind die in Fig. 1 bereits beschriebenen Teile mit den gleichen
Bezugsziffern bezeichnet wie dort; man erkennt in Fig. 2 einen Ringspalt 20, der
in einen Formteil 21 eingelassen ist, der die Innenwand des ringförmigen Luftansaugstutzens
14 des Verdichters bildet. Dieser Formteil 21 ist mit einem Ringkanal 22 ausgerüstet,
welcher durch ein Kanalsystem, welches unter 23 teilweise angedeutet ist, mit einer
Zwischenstufe oder der Endstufe des Verdichters in Verbindung steht; in dem Kanalsystem
ist ein Ventil mit der im vorstehenden beschriebenen Bauart vorgesehen.
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Der Spalt 20 ist düsenförmig; er ist, in Stromrichtung gesehen, unmittelbar
vor dem Eintrittsleitschaufelkranz 13 angebracht und so ausgebildet, daß das dem
Kanal 22 zugeführte Gas in den Luftansaugstutzen 14 des Verdichters mit einer gegen
den Hauptgasstrom im Ansaugstutzen gerichteten Bezwegungskomponente eingeblasen
wird, im vorliegenden Beispiel unter einem Winkel von60°gegen die Rotationsachse
desRotors 11.
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Wie im vorliegenden Fall kann der Ringspalt 20
nach Wunsch durch
eine ringförmige Anordnung von Spalten ersetzt werden; der Spalt 20 ist zusätzlich
zu dem bereits beschriebenen Spalt 18 vorgesehen.
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Wird der Verdichter mit einer Drehzahl betrieben, die geringer ist
als seine Auslegedrehzahl, so wird durch das Einströmen von Gas aus dem Spalt
20 die effektive Querschnittsfläche des ringförmigen Luftansaugstutzens des
Verdichters an der Stelle der Nut verkleinert mit dem Ergebnis, daß die Geschwindigkeit
des Gasstromes durch die übrige Ringzone der Beschaufelung des Verdichters gesteigert,
die Anpassung der Verdichterstufen dadurch verbessert und die Fördermenge des Verdichters
verringert wird.
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Im Fall eines Axialverdichters mit einem Spalt, wie er mit 20 in Fig.
2 bezeichnet ist, kann dieser Spalt in dem äußeren Gehäuseaufbau in Stromrichtung
gesehen unmittelbar vor den Eintrittsleitschaufeln des Verdichters eingebaut werden.
Eine solche Bauart ist in Fig. 3 gezeigt, auf die sich die Beschreibung im folgenden
bezieht. Hier ist ein düsenförmiger Spalt 24 in dem äußeren Gehäuseaufbau 25 des
Verdichters vorgesehen; der äußere Gehäuseaufbau trägt einen Kranz von Eintrittsleitschaufeln
26 am Eingang des Verdichters und auch Leitschaufelkränze der folgenden Stufen in
bekannter Weise.
Der Spalt 24 wird von einem Ringkanal 30 des üulJeren
Gehäuseaufbaues mit Gas versorgt; der Kanal 30 steht mit einer Zwischenstufe oder
dem Auslaß des \Terdichters durch ein nicht eingezeichnetes Kanalsvstem in Verbindung,
welches zur Steuerung des durch das Kanalsystem fließenden, abgezapften Gases ein
Ventil umfaßt; dieses Ventil kann ebenso ausgebildet sein, wie oben beschrieben
wurde.
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Der Spalt 24 ist, wie oben beschrieben, so angebracht, daß das Gas
mit einer Bewegungskomponente gegen den Hauptstrom in dem Ansaugstutzen 27 des Verdichters
einströmt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Einströmwinkel 60°
gegen die Achse des Verdichterrotors.
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Um die Einengung des effektiven Querschnitts des in Fig. 3 beschriebenen
Verdichterluftansaugstutzens durch Gaseinführung in dem Ansaugstutzen noch weiter
zu treiben, kann ein weiterer Ringspalt in dem Formteil 31 ausgebildet werden, welcher
die Innenwand des Ansaugstutzens 27 bildet. Dieser Spalt in dem Formteil 31 käme
in die gleiche Radialebene zu liegen wie der Spalt 24 und würde so angeordnet werden,
daß das ihm zugeführte Gas mit einer Bewegungskomponente wie bisher gegen die Stromrichtung
in den Ansaugstutzen einströmt. Wiederum müßte ein System zur Versorgung des zweiten
Spaltes mit Druckgas von einer Zwischenstufe oder dem Auslaß des Verdichters aus
eingebaut werden.
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In den Figuren wurden Schaufeln ohne Deckband gezeigt. Die Erfindung
ist jedoch auch auf Verdichter mit Deckbändern anwendbar.