CH215474A - Mehrstufige, achsial arbeitende Turbomaschine. - Google Patents

Description

  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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Mehrstufige, achsial arbeitende Turbo maschine, insbesondere zur Verdichtung gas förmiger Medien, mit einer oder mehreren, zwischen zwei Stufen eingeschalteten Wärme austauschflächen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens zum Teil ausser halb der Stufen angeordneten Austausch fläche und dem Austritt der vorhergehenden Stufe bezw. dem Eintritt zur nachfolgenden Stufe sich erweiternde bezw. verengende Verbindungskanäle vorgesehen sind,

   die das durchströmende Medium aus achsialer in radiale und schliesslich wieder in achsiale Richtung umlenken. UNTERANSPRÜCHE: 1. Turbomaschine nach Patentanspruch, ,dadurch gekennzeichnet, dass der vom Stufen austritt zur Wärmeaustauschfläche führende Kanal einen diffusorartig ausgebildeten Teil aufweist, der über den für Diffusoren üb lichen Öffnungswinkel von<B>10'</B> hinaus er weitert ist. 2.

   Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaus tauschfläche in einen Ringraum eingebaut ist. 3. Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaus tauschfläche in mehreren im greis angeord neten Räumen eingebaut ist. 4. Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der diffusor- artig ausgebildete Kanalteil durch Zwischen wände in mehrere diffusorartig sich erwei ternde Teilkanäle unterteilt ist. 5. Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des diffusorartig ausgebildeten Teils mit Öffnungen zum Absaugen der Grenzschicht dadurch gekennzeichnet, dass der diffusor versehen ist. 6.

   Turbomaschine nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass die Öffnungen mit Kammern ver bunden sind, in denen dauernd ein geringerer Druck als im Diffusor aufrecht erhalten wird. 7. Turbomaschine nach Patentanspruch, ausgebildete Teil in radialer Richtung durchströmt wird, und der Kanalteil, wel cher die aehsial aus der Stufe austretende Strömung in die radiale Strömungsrichtung umlenkt, konfusorartig ausgebildet ist. B. Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an Stellen mit scharfer Strömungsumlenkung einzelne Um lenkflächen, die eine Strömungsablösung verhindern, vorgesehen sind. 9.

   Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaus- tauschfläehe aus parallel zur Strömungsrich tung angeordneten Rohren besteht, deren Enden in senkrecht dazu verlaufenden Sam- melrohren münden, wobei der Querschnitt der Sammelrohre eine Stromlinienform auf weist. 10. Turbomaschine nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaus- tauschfläehe aus senkrecht zur Strömungs richtung angeordneten, mit stromlinienför migem Querschnitt ausgebildeten Rohren be steht.