Verfahren zum Betrieb eines Mehrstufen-Axialströmungskompressors. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Mehr stufen-Axialströmungskompressors und eine Einrichtung zur Durchführung des Ver fahrens. Die Erfindung bezweckt, Mittel vor zusehen, welche es ermöglichen, den Wir kungsgrad des Kompressors über einen rela tiv grossen Drehzahlbereich konstant zu halten. Es ist, üblich, einen solchen Kompressor mit einer bestimmten Drehzahl anzutreiben, welche dem normalen Betriebszustand des Kompressors entspricht. Diese Drehzahl steht üblicherweise in einem hohen Verhältnis zur maximalen Arbeitsdrehzahl des Kompressors.
Die Kenndaten der Schaufeln des Kompres- sors, wie Steigung, Profil, Anstellwinkel sind demzufolge so gewählt, dass sie den maxima len Wirkungsgrad bei jener Drehzahl ergeben, für welche der Kompressor gebaut ist, das heisst bei der Nenndrehzahl. Bei Dreh zahlen, die kleiner sind als diese Nenndreh zahl, das heisst wenn der Druckanstieg pro Stufe kleiner ist als der Nenndruckanstieg, besteht die Tendenz einer beschleunigten Strömung vom Einsass zum Auslass des Kom- pressors, da das Gesamt-Nenndichteverhält nis nicht erreicht wird.
Diese Beschleunigung der Strömung zeigt sich in einer Verminde rung der axialen Geschwindigkeit am Kom- pressoreinlass und einer entsprechenden Zu nahme am Auslass. Es hat sich gezeigt, dass die Verminderung der Axialgeschwindigkeit am Einlass des Kompressors bewirkt,
dass die Laufschaufeln der Eingangsstufen des Kompressors und manchmal auch die Leitschaufeln der ersten Kompressorstufen mit einem bedeutend grö sseren Anstellwinkel arbeiten als beim Aus legungspunkt des Kompressors. Wenn die Drehzahl des Kompressors einen bestimmten Wert unterschreitet, bewirkt dieser grosse Anstellwinkel ein Abreissen der Strömung an den Schaufeln, wodurch der Wirkungsgrad des Kompressors erheblich herabgesetzt wird.
Es wurde schon vorgeschlagen, den Drall der die Leitschaufeln verlassenden Gase zu ver grössern, um einen günstigeren Anströmwinkel der den nachfolgenden Laufschaufeln zuströ menden Luft zu erzielen. Ferner wurde schon vorgeschlagen, von einer nachfolgenden Stufe des Kompressors Luft abzuzapfen, wodurch die Axialgeschwindigkeit der durch die voran gehenden Stufen des Kompressors strömenden Luft vergrössert wird.
Es hat sich gezeigt, dass der Auström- winkel der Luft, in jenem Teil der Schaufeln am ehesten ungünstig beeinflusst wird, wel- eher der Schaufelspitze am nächsten liegt, das heisst annähernd über dem radial äussern Drittel .der Schaufellänge.
Um den genannten Nachteil zu verhin dern, wird erfindungsgemäss ein Verfahren zum Betrieb eines Mehrstufenaxialkompressors vorgeschlagen, bei welchem in den Kompres- sor zusätzliches Arbeitsfluidum so eingeführt wird, dass es über radial äussere Teile von Schaufeln der Einlassstufe des Kompressors strömt, wenn die Kompressordrehzahl unter einen vorbestiminten Wert sinkt, der kleiner ist als der Wert der Nenndrehzahl des Kom- pressors, und zwar zusätzlich zum normal durch den Kompressoreinlass angesaugten Arbeitsfluidum.
Zweckmässig erfolgt die ge nannte Einführung annähernd über den ra dial äussern Drittel der Schaufellänge der Schaufeln der ersten Stufe des Kompressors.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekenn zeichnet durch Mittel zum Einführen von zusätzlichem Arbeitsfluidum in den Kompres sor, derart, dass es über radial äussere Teile von Schaufeln der Einlassstufe des Kompres- sors strömt, zusätzlich zum normal durch den Kompressoreinlass angesaugten Arbeitsflui dum, wenn die Kompressordrehzahl unter einen vorbestimmten Wert sinkt, der kleiner ist als der Wert der Nenndrehzahl des Kom- pressors.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Kom- pressors sind Mittel vorgesehen zur Steue rung der Einführung des zusätzlichen Ar beitsfluidums in den Kompressor, und zwar automatisch in Abhängigkeit von der Dreh zahl oder einer Betriebsgrösse des Kompres- sors, welche mit der Kompressor-Rotordreh zahl ändert. Diese Steuermittel besitzen zweckmässig eine Steuervorrichtung, welche auf eine Betriebsgrösse (z.
B. die Kompressor drehzahl, die korrigierte Drehzahl, den Kom- pressorförderdruck oder das Kompressions verhältnis des Kompressors) anspricht, und die dazu bestimmt ist, die Einführung von zusätzlichem Arbeitsfluidum zu verhindern, wenn bei einer Drehzahlerhöhung des Kom pressors die genannte Betriebsgrösse einen be stimmten Wert überschreitet, und um die Ein führung zu ermöglichen, wenn die Betriebs grösse den genannten Wert bei einer Dreh zahlverminderung unterschreitet.
Bei einer weiteren Ausführungsform kön nen die Mittel zum Einführen zusätzlichen Arbeitsfluidums so ausgebildet sein, dass die Einfühlung dieses zusätzliehen Arbeitsflui dums durch den Lufteinlass des Kompressor erfolgt.
Ferner können ausser den Mitteln zum Einführen zusätzlichen Arbeitsfluidums in den Kompressor noch Mittel zum Anzapfen von Luft aus einer der naelfolgenden Stufen des Kompressors vorhanden sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind ausser den Mitteln zum Einführen zu sätzlichen Arbeitsfluidums Mittel zum Ein stellen der Anstellung der Einlass-Leitschau- feln des Kompressors vorgesehen, uni bei Drehzahlen, die kleiner sind als die Nenn drehzahl, den Drall der diese Schaufeln ver lassenden Gase zu vergrössern. Zweckmässig sind die Mittel zur Einführung zusätzlichen Arbeitsfluidums und die Einstellmittel der Leitschaufeln so ausgebildet, dass sie gleieh- zeitig wirksam sind.
In dieseln Fall sind die Mittel zum Einführen von zusätzlichem Ar beitsfluidum vorteilhaft so angeordnet, dass das unmittelbar vor den verstellbaren Leit schaufeln eingeführte Arbeitsfluidum einen Drall erhält.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, an Hand welcher auch das Verfahren beispiels weise erläutert wird. Es zeigt: Fig. 1 einige Gesehwindigkeitsvektoren in der ersten Kompressorstufe in der Nähe der Schaufelwurzeln, Fig. ja und 1h Geschwindigkeitsdreiecke entsprechend Fig. 1 bei hohen bzw. kleinen Kompressordrehzahlen, Fig.
2 einige Geschwindigkeitsvektoren in der ersten Kompressorstufe nahe der Schau felspitzen, Fic. 2a und 2'' Geschwindigkeitsdreiecke entsprechend Fig. 3 bei hohen \bzw. kleinen Kompressordrehzahlen, Fig. 3 einen Axialschnitt durch einen Teil eines Kompressors, Fig. 4 in grösserem Massstab eine Einzel heit aus Fig. 3,
-einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 5 darstellend, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5 in Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 5, Fig. 7 eine Einzelheit in Richtung des Pfeils 7 in Fig. 4 gesehen.
Fis. 8 ist eine Ansicht eines weiteren Bei spiels eines Kompressors und Fig. 9 eine Steuervorrichtung, wie sie in den Beispielen gemäss Fig. 3-7 und 8 ver wendbar ist.
In den Fig. 3 bis 7 ist ein Axialkompres sor dargestellt, der zur Erzeugung kompri mierter Luft für die Verbrennungseinrich tung einer als Flugzeugtriebwerk verwendba ren Gasturbinenanlage bestimmt ist. Der Kompressor besitzt einen Rotor 10, der eine Mehrzahl von Laufschaufelkränzen 10a,, 10b, 10e, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, l0j, 10k, 10m aufweist, von welchen Schaufelkränzen aus Zweckmässigkeitsgründen je nur eine Schaufel gezeichnet ist.
Der Kompressor besitzt ferner ein Stator gehäuse 11, in welchem in bekannter Weise Leitschaufelkränze 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, l2f, 12g, 12h, 12j, 12k angeordnet sind, und zwar je stromabwärts des zugehörigen Lauf schaufelkranzes. Ferner ist im Statorgehäuse ein Kranz von Einlass-Leitschaufeln 13 strom aufwärts der Laufsehaufeln 10 der ersten Kompressorstufe angeordnet. Wie üblich, wird ein Laufsehaufelkranz und der unmittelbar nachfolgende Leitschaufelkranz als eine Kom pressorstufe bezeichnet.
Der Kompressor ist so ausgebildet, dass Luft aus einer der hintern Stufen abgezapft und am Einlass wieder in den Kompressor eingeführt werden kann, wenn die Kompres sordrehzahl niedriger ist als die Nenndrehzahl des Kompressors, um den Kompressorwir kungsgrad zu verbessern. In diesem Fall er folgt die Einführung zur Erhöhung der Axialgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums am äussern Teil der Schaufeln um einen grösseren Betrag als an den innern Schaufelteilen.
Das Statorgehäuse 11 ist zweiteilig; die beiden Teile 11a und 11b sind an den Flan schen 11c zusammengeschraubt. Der Teil 11a besitzt innere Längsrippen 14, die zur Ver steifung des Gehäuses dienen und Distanz ringe 15 tragen, die z. B. aufgegossen wurden während der Herstellung des Gehäuses. Der Gehäuseteil 11a ist zweckmässig aus zwei halbzylindrischen Teilen zusammengesetzt, wobei die Distanzringe 15 und weitere Ein zelteile des Gehäuses ebenfalls zweiteilig sind.
Die in Axrichtung blickenden Ränder der Di stanzringe 15, die gleichzeitig Abdeckringe für die Laufschaufeln bilden, sind genutet, zwecks Aufnahme der Flanschen 16a, der einzelnen Wurzeln 16 der Leitschaufeln 12a, 12h, 12e, 12d, 12e, 12f und 121c und der Flanschen 17a der Ringelemente 17, welche die Leitschaufeln 12g, 12h, 12j derjenigen Schaufelstufen tra gen, aus welchen Luft abgezapft werden kann. Demzufolge sind die Leitschaufeln und Ring elemente 17 in ihrer Lage gesichert. Die Leit schaufeln 12g, 121z, 12j greifen mit. ihren äussern Enden 18 in Ausnehmungen in den Ringen 17 und sind z. B. durch Löten in ihrer Lage festgehalten.
Die Ringelemente 17 besitzen U-förmigen Querschnitt und weisen Öffnungen 19 auf, durch welche komprimierte Luft. aus dem Ar beitskanal in die Sammelkanäle 20 im Innern der Ringelemente 17 strömen kann. Die ge nannten Sammelkanäle 20 sind durch ring förmige Scheiben 21, die zweckmässig eben falls zweiteilig sind, abgeschlossen. Die Ränder der Scheiben 21 sitzen in guten 22 in den innern und äussern Schenkeln der Ring elemente 17, wodurch die Scheiben 21 in ihrer Lage gesichert sind.
Beim Betrieb des Kompressors strömt Luft aus den Sammelkanälen 20 durch Öffnungen 23 in den Mittelstegen der Ringelemente 17, wobei die Strömung ,durch verdrehbare Ven tilkörper 24 mit ringförmiger Ausnehmung gesteuert wird; die Ausnehmungen dieser Ventilkörper 24 sind einwärts gerichtet, wo bei in den letzteren Öffnungen 25 vorgesehen sind zum Zusammenwirken mit den Öffnun gen 23.
Die Ventilkörper 24 sind mit radialen Vorsprüngen 26 versehen, welche durch Schlitze 27 in den äussern Schenkeln der Ringelemente 17 ragen. Die Vorsprünge 26 greifen in schraubenlinienförmige Schlitze 28 in einer Stange 29 ein, welche einen Schaft 30 besitzt, der durch die Gehäusewand 11a ragt und mit dem Kolben 31a eines hydraulischen Servomotors 31 verbunden ist.
Die Schlitze 27 sind durch Dichtungsplat ten 32 abgeschlossen, die mit den verdreh baren Ventilkörpern 24 drehverbunden sind.
Der Servomotor 31 ist dazu bestimmt, die Öffnungen 23 dadurch vollständig zu schlie ssen, dass er die Öffnungen 25 vollständig ausser Flucht mit den Öffnungen 23 bringt, wenn die Drehzahl des Kompressors oder eine andere Betriebsgrösse des letzteren, die von der Kompressordrehzahl abhängt, einen vor bestimmten Wert überschreitet. Ferner dient diese Vorrichtung dazu, das Öffnen dieser Öffnungen einzuleiten, wenn die Drehzahl oder eine andere von ihr abhängige Betriebs grösse des Kompressors unter einen vorbe stimmten Wert fällt. Die Anordnung kann derart sein, dass die Öffnungen beim Unter schreiten eines etwas vom vorbestimmten Wert abweichenden Wertes zu öffnen begin nen, indem z. B. die Schlitze 28 etwas breiter gemacht sind als die in sie eingreifenden Vor sprünge 26.
Beim gezeichneten Beispiel tritt die aus den Sammelräumen 20 durch die Öffnungen 25, 23 austretende Luft in längsgerichtete Kanäle<B>33</B> ein, die zwischen den Rippen 14 ge bildet sind und strömt vorwärts gegen den Einlass des Kompressors und in Kanäle 34, welche zwischen Rippen 35 gebildet sind. Die Rippen 35 verbinden die Aussenwand des Ge häuseteils 11b mit einer Innenwand 36, welche Teile des Arbeitskanals des Kompressors be grenzt und den Kranz von Einlass-Leitschau- feln 13 mittels der Flanschen 13b an den Deckplatten 13a der Leitschaufeln 13 ab stützt, welche Flanschen in Nuten der Sei ten eines Ringkanals in der Wand 36 ein greifen.
Die Kanäle 34 münden an ihrem vordern Ende in am Umfang angeordneten Auslässen 37a, 37b, welche ihrerseits in den Einlass des Kompressors münden. Der Auslass 37a ist zwi- sehen einer einwärts und nach hinten ge krümmten Fläche 11d am vordern Ende des Gehäuseteils 11b und einer Ringschaufel 38 die von den Rippen 35 getragen wird, gebil det. Der Auslass 37b ist zwischen dieser Schau fel 38 und einer gebogenen Vorderkante 36a der Wand 36 gebildet. Die Auslässe 37a, 37b sind nach hinten gerichtet und die Luft aus den Kanälen 34 wird durch diese Auslässe über annähernd den äussern Drittel der Länge der Einlass-Leitschaufeln 13 und der Schaufeln 10a und 12r der ersten Kompres sorstufe eingeführt.
Im folgenden soll eine Erklärung des er zielbaren Effektes an Hand der in den Fig. 1, 1a, 1'', 2, 2a und 2b gezeigten Diagramme ge geben werden: In den Fig. 1 und 2 bedeuten S Schaufeln des ersten Leitschaufelkranzes der ersten Stufe, P Schaufeln des ersten Laufschaufel- lranzes und I. G. V. Einlass-Leitschaufeln des Kompressors.
Es wurde bereits erwähnt, dass bei Dreh zahlen, die kleiner sind als die Nenndrehzahl des Kompressors, wenn der Druckanstieg pro Stufe kleiner ist als der Nenndruckanstieg, die Tendenz zu einer Beschleunigung der Strömung vom Einlass zum Auslass des Kom- pressors besteht und dass dies zu einer Herab setzung der Axialgeschwindigkeit am Kom pressoreinlass führt.
In der Zeichnung bedeutet 1-o Grösse und Richtung der Geschwindigkeit des Arbeits fluidums am Auslass der Einlass-Leitschau- feln 13 des Kompressors; Z' ist die Umfangs- geschwindigkeit der Lattfsehaufeln; V, ist die Relativgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums am Einlass der Laufschaufeln 10a. im Aus- legiingspunkt des Kompressors.
Der vertikale Abstand V_@ stellt die axiale Geschwindigkeit, V. die relative Auslass- geschwindigkeit des Arbeitsfluidums dar, und die Resultierende von V., und I' ist V3, wel eher Vektor die Absolutgesehwindigkeit des Arbeitsfluidums am Einlass der Leitschau feln 12a der ersten Stufe darstellt.
Der hori zontale Abstand V@v, stellt die Änderung des Dralles des Arbeitsfluidums während des Durehströmens der Lartfsehartfeln der ersten Stufe dar, und es ist zu bemerken, dass die Dralländerung Vw multipliziert mit der Um- 1angsgeschwindigkeit U und der durchströ menden Masse, ein Mass für die durch die Wurzeln der Laufschaufeln am Arbeitsflui dum geleistete Arbeit darstellt.
Der Index H bezieht sieh jeweils auf hohe Drehzahlen und der Index I auf kleine Drehzahlen.
Es ist zu bemerken, dass die Schaufeln im Auslegungspunkt so angeordnet sind, dass der Eintrittswinkel des Arbeitsfluidums sowohl z11 den Laufschaufeln 10a als auch an den Leitschaufeln ha der ersten Kompressorstufe einen Wert aufweist, der die Erreichung des gewünschten Druckverhältnisses gestattet, wo bei diese Winkelwerte so gewählt sind, dass der Einlasswinkel kleiner ist als der ein Ab lösen der Strömung bewirkende Winkel.
Wenn die Kompr essordrehzahl vom Nenn wert auf einen kleineren Wert sinkt, verklei nert sieh das Verhältnis der Axialgeschwin digkeit VA zur Umfangsgeschwindigkeit U, das heisst das Verhältnis VAL : UL verglichen mit dem Verhältnis VAH : UH. Es ist ersicht lich, dass der Winkel des Vektors V1L, der relativen Eintrittsgeschwindigkeit, zur Axial- relltung zunimmt, verglichen mit dem des Vektors V1H, so dass die Schaufeln bei einem grösseren Anstellwinkel arbeiten. Das Verhältnis der Dralländerung VW. zur Umfangsgeschwindigkeit Z nimmt eben- fadls leicht zu, und zwar vom Verhältnis VWH : UH auf VWL : UL.
Die Fig. 2a und 2b zeigen Geschwindigkeitsdreiecke für die Ge- schwindigkeiten an den Spitzenteilen der Schaufeln. Es hat sieh gezeigt, dass bei allen Betriebs zuständen, wenn die Luft ausschliesslich aus der Atmosphäre angesaugt wird, die Axial- aeschwindigkeit VA an der Schaufelspitze kleiner ist als die Axialgesehwindigkeit an der Schaufelwurzel, und zwar zufolge des be kannten Zentrifugaldruckgradienten. Der sta tische Druck am Spitzenteil der Schaufel ist zufolge der Zentrifugalkraftwirkung grösser als an der Schaufelwurzel, und zwar um einen Betrag, der durch die Gleichung
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gegeben ist.
Da der Staudruck sich von der Spitze zur Wurzel der Schaufel am Kompres- soreintritt annähernd nicht ändert, folgt, dass die resultierende Geschwindigkeit des Arbeits fluidums an der Schaufelspitze kleiner ist als an der Schaufelwurzel und damit auch die Axialgeschwindigkeit. Wenn, wie dies ge wöhnlich der Fall ist, die Drallkomponente an der Schaufelspitze grösser ist als an der Wurzel, dann wird die Axialgeschwindigkeit an der Schaufelspitze, verglichen mit derjeni gen an der Schaufelwurzel, noch mehr herab gesetzt.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass, während die Verwendung verstellbarer Leitschaufeln zur Erhöhung des Dralles bei kleinen Drehzahlen eine Leistungsverbesse rung bringt, der störende Effekt des Zentri fugaldruckgradienten bei Kompressoren mit kleinen Wurzel/Spitzendurchmesser-Verhält nissen den Vorteil des erhöhten Dralles wie der aufheben kann, wodurch an den Spitzen eine Ablösung der Strömung auftreten kann. In diesem Fall hat es sieh als zweckmässig er wiesen, gleichzeitig mit der Erhöhung des Dralles auch eine Einführung von Arbeits fluidum vorzunehmen, wie dies an Hand von Fig. 8 beschrieben werden soll.
Zufolge des kleineren Verhältnisses VA: U an den Schaufelspitzen sind die Gresehwindig- keitsdreiecke in Horizontalrichtung in die Länge gezogen, wie dies in Fig. 2a und 2b er sichtlich ist.
Wenn die Axialgesehwindigkeit bei kleine rer Drehzahl des Kompressors als der Nenn drehzahl herabgesetzt wird, und zwar vom Wert V #H auf den Wert VAL, nimmt. die Dralländerung relativ zur entsprechenden L:mfangsgesehwindigkeit vom -Wert Vw.H auf den Wert 1WL zu.
Der Winkel der relativen Eintrittsgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums zur Axialrichtung nimmt von dem durch die Linie V111 begrenzten Wert auf den durch die Linie V1L begrenzten Wert zu; ebenso nimmt der Anstellwinkel für die Laufschaufeln zu. Ferner ist ersichtlich, dass auch der Anstell- winkel der Leitschaufeln der ersten Stufe in gleicher Weise zunimmt. Zufolge der grossen Neigung der Spitzen der Schaufeln hat sieh Bezeigt, dass der umgünstige Effekt der Zu nahme des Anstellwinkels an den Spitzen grösser ist als an den Wurzeln der Schaufeln.
Es hat sieh ferner gezeigt, dass, wenn die Schaufelwinkel so sind, dass sie am günstig sten bei der Nenndrehzahl des Kompressors arbeiten, der Anstellwinkel an den Schaufel spitzen bei kleinen Drehzahlen auf einen sol chen Wert zunimmt, dass an den Schaufeln Ablösung eintritt, so dass der Wirkungsgrad des Kompressors merkbar abfällt.
Es ist ersichtlich, dass je kleiner das Ver hältnis des Schaufelwurzeldurehmessers zum Spitzendurchmesser ist, um so grösser der un günstige Effekt ist.
Der vergrösserte Drall bewirkt ferner ein Herabsetzen der Axialgeschwindigkeit VAL an der Schaufelspitze, während ein Zunehmen der Geschwindigkeit V AL an der Wurzel eine Folge des Zentrifugaldruckgradienten ist. Ein Erhöhen des Dralles kann somit die Gefahr des Ablösens der Strömung an der Sehaufel- spitze erhöhen.
Das Einführen von zusätz- liehem Arbeitsfluidum, wie oben erwähnt, dient, zum Erhöhen der wirklichen Axial geschwindigkeit am Spitzenteil der Schaufel und denzufolge zum Vergrössern des Vektors VD, so dass seine Grösse sich dem Wert VoL' nähert, welcher im gleichen Verhältnis (VOL' : UL) zur Umfangsgeschwindigkeit UL des Rotors steht, wie beim Verhältnis un Ans- legungspunkt, das V oH : UH ist.
Der Einlass winkel des Arbeitsfluidums relativ zur Lauf- sehaufelung, bezogen auf die Axialrichtung, wird dadurch auf einen Wert zurückgeführt, der sieh dem Wert im Auslegungspunkt, das das heisst V1H, nähert, und in gleicher Weise ist ersiehtlich, dass der Winkel der Fluid- strömung am Einlass der ersten Leitsehaufeln ebenfalls auf einen Wert gebracht wird, der sich demjenigen im Auslegungspunkt des Kompressors nähert. Es ist zu bemerken, dass das Einführen von zusätzlichem Arbeitsfluidum zweekmässig unter einem Winkel erfolgt, der dem Vektor VOL entspricht.
Die Axialgeschwindigkeit des Arbeitsfluidums bei kleinen Drehzahlen des Kompressors kann somit auf einen Wert ge- braeht werden, der demjenigen im Aus legungspunkt des Kompressors nahe kommt, und zwar kann dies ausschliesslich durch Ein spritzen von zusätzlichem Arbeitsfluidum stromaufwärts derjenigen Sehaufeln ge- sehehen, deren Wirkungsgrad verbessert wer den soll, oder es kann dies zum Teil durch Einführen von zusätzlichem Arbeitsfluidum und zum Teil durch Abzapfen von Arbeits fluidum in bekannter Weise aus einer der letzten Kompressorstufen geschehen.
Das Ein führen von zusätzlichem Arbeitsfluidum kann mit dem Ändern der Winkelstellung derjeni gen den Laufschaufeln vorgeschalteten Leit- schaufeln kombiniert werden, deren Wir kungsgrad verbessert werden soll; Kompres soren, bei welchen dies vorgesehen ist, können auch mit Mitteln zum Abzapfen von Arbeits fluidum aus den hintern Kompressorstufen versehen sein.
Es ist zu bemerken, dass, wie die Dia- g)ramme zeigen, die Verbesserung des Wir kungsgrades nicht auf diejenige Stufe be grenzt ist, welche der stelle der Einführung von zusätzliehem Arbeitsfluidum folgt; die Einlasswinkel an den 'ehaufeln von naehfol- grenden Stufen werden ebenfalls günstiger und auch der Wirkungsgrad dieser Stufen wird demzufolge verbessert.
Während bei normal gebauten Kompres soren das Abzapfen voll Arbeitsfluidum aus den hintern Stufen des Kompressors und das Anordnen von verstellbaren Drallsehaufeln ein Vergrössern der Axialgeschwindigkeit über die ganze Länge der @cbaufeln von den Wurzeln zur Spitze bewirken, kann die be- sehriebene Ausbildung des Kompressors dazu benützt. werden, die Axialgesehwindigkeit nur über den äussern #Kehaufelteil zu erhöhen.
das heisst. im Spitzenteil der Sehaufeln. Es hat sich gezeigt, dass die Zunahme der Axial- gesehwindigkeit. im äussersten Drittel der Schaufel, gemessen in Radialrichtung, ein Ver hindern des Ablösens der Strömung in den ersten Schaufelstufen ermöglicht.
Beim Beispiel gemäss Fig. 8 wird nicht nur zusätzliches Arbeitsfluidum den äussern Teilen der ersten Kompressorstufen durch die Auslässe 37a, 37b zugeführt, welches zusätz liche Arbeitsfluidum zweckmässig aus den letzten Kompressorstufen abgezapfte Luft ist, sondern auch die Einlass-Leitschaufeln 13 unmittelbar vor dem ersten Laufschaufel kranz 10a sind einstellbar ausgebildet, um den Drall, bei Drehzahlen unterhalb eines vorbe stimmten Wertes, der kleiner ist als die Nenndrehzahl des Kompressors, zu erhöhen.
Zum Verstellen der Leitschaufeln 13 sind äussere und innere Spindeln 40, 41 vor gesellen, welche im Statorgehäuse angreifen und ein Drehen der Schaufeln 13 um ihre Längsachsen gestatten. Die gezeichnete Leit- schaufel 13 besitzt eine Spindel 40, die durch die Gehäusewand 11b nach aussen ragt und an ihrem äussern Ende einen Arm 42 trägt, welcher mit dem Kolben 31a eines Servo motors 31 verbunden ist; ein gleicher Servo motor wird zum Drehen der verdrehbaren An zapfventile mittels der Stangen 30 verwendet.
Jede der innern Spindeln 41 ragt durch die Innenwand 44 des Arbeitskanals des Kom- pressors und trägt an ihrem innern Ende einen Arm 45, welcher seinerseits in einen mit Kerben versehenen Ring 64 eingreift, der in der Wand 44 drehbar gelagert ist.
Wenn demzufolge die gezeichnete Schaufel 13 mittels des Servomotors 31 um ihre Längs achse gedreht wird, dreht, der mit ihr ver bundene Arm 45 den Ring 46 um die Kom- pressoraehse und somit über die Arme 45 der übrigen Leitschaufeln 13 gleichzeitig den ge samten Kranz von Schaufeln 13.
Das Einführen von zusätzlichem Arbeits fluidum und das Verstellen der Einlass-Leit- schaufeln 13 wird so gesteuert, dass, wenn die Kompressordrehzahl oder eine von ihr ab hängige Betriebsgrösse des Kompressors, z. B. die korrigierte Drehzahl (die gleich
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ist, wobei N die wirkliche Drehzahl und To die Einlasstemperatur ist) oder der Kompres sorauslassdruck oder das Kompressionsverhält nis des Kompressors, einen vorbestimmten Wert überschreitet, keine Einführung erfolgt bzw. die Schaufeln 13 in ihre Normallage be wegt werden, und wenn die Drehzahl einen bestimmten oder einen von diesem etwas ab weichenden Wert unterschreiten, eine Ein führung von zusätzlichem Arbeitsfluidum er folgt bzw.
die Schaufeln 13 in eine solche Lage verstellt werden, dass sie eine Drall erhöhung bewirken. Das Einführen von zu sätzlichem Arbeitsfluidum und das Verstellen der Drallschaufeln erfolgen zweckmässig gleichzeitig. Beide Vorgänge können z. B. auch aufeinanderfolgend erfolgen, um zu grosse, plötzliche Änderungen der Strömungs verhältnisse zu vermeiden. Wenn das Ein führen und Verstellen der Leitschaufeln nacheinander vorgenommen wird, ist es zweckmässig, zuerst die Drallschaufeln wäh rend einer Drehzahlzunahme zu verstellen und sie nach erfolgter Einführung von zu sätzlichem Arbeitsfluidum bei einer Dreh zahlabnahme in ihre Ausgangslage zurück zustellen.
Zur Steuerung der Einführung von zu- sä.tzliehem Arbeitsfhiidum und/oder der Ver stellung der Einlass-Leitschaufeln kann ein Drehzahlregler bekannter Bauart vorgesehen sein. Ein solcher Regler kann dazu bestimmt sein, die vierdrehbaren Ventilkörper 24, durch welche Luft aus dem Kompressor abgezapft wird, oder die Leitschaufeln 13 oder beides zu steuern.
Anderseits können die Steuermit tel eine Membran oder dergleichen aufweisen, welche dem Kompressor-Enddruck ausgesetzt ist, oder es können zwei Membranen vor gesehen sein, von welchen die eine dem End druck des Kompressors und die andere dem Einlassdruek des Kompressors ausgesetzt ist.
Tin letztgenannten Fall sind die Membranen mit einem drehbar gelagerten Balken verbun den, der zum Öffnen der Öffnungen bestimmt ist, durch welche Luft aus dem Kompressor angezapft. wird, wenn das Kompressor-Druck- verhältnis einen vorbestimmten Weit; unter- schreitet, beim Absinken der Rotordrehzahl des Kompressors. Im erstgenannten Fall da gegen ist die Membran so angeordnet, dass sie die Öffnungen öffnet, wenn der Kompressor- enddruek einen vorbestimmten Wert unter schreitet beim Sinken der Rotordrehzahl des Kompressors.
Die Steuerung der v erdrehbaren Ventil körper 24 und der verstellbaren Leitschaufeln 13 kann so getroffen sein, dass, wenn die Kompressordrehzahl kontinuierlich vom vor bestimmten Wert absinkt, der Betrag des zu sätzlich eingeführten Arbeitsfluidums konti nuierlich zunimmt oder dass die Leitschaufeln kontinuierlich verstellt werden, um zu nehmend den Drall der einströmenden Luft zu erhöhen, oder dass beides gleichzeitig er folgt. Eine Steuervorriehtung ist beispiels weise in Fig. 9 dargestellt.
Bei dieser Ausbildung der Steuervorrieh- tung wird das Einführen von zusätzlichem Arbeitsfluidum durch Öffnungen 37a, 37b oder das Verstellen der Drallschaufeln oder beides zusammen in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kompressors gesteuert. Es sei angenommen, dass der Kompressor Teil einer <B>i</B> in, Gasturbinenanlage sei, so dass eine Brenn stoffpumpe 47 der Anlage dazu verwendet werden kann, Steuer- und Druckfluidum für die Servomotoren 31 zu liefern. Die Pumpe 47 wird durch die Anlage angetrieben, wie dies in Fig. 8 angedeutet ist, wo der Antrieb von der Maschinenwelle 48 bei 49 abgenommen wird, so dass der Pumpenmotor mit einer zur Kompressordrehzahl proportionalen Drehzahl angetrieben wird.
Der Pumpenrotor besitzt eine zentrale Bohrung 51, welche voll einer Saugleitung 52 der Pumpe zu einer Anzahl von annähernd radialen Bohrungen 53 führt. Diese Bohrun gen verbinden die Bohrung 51 mit einer Kam- ner 54, welche den Pumpenrotor 50 enthält.
Der Pumpenrotor besitzt ferner einen Kranz von schrägen Bohrungen 55. Jede dieser Bohrungen enthält einen hin und her beweglichen Kolben 56. Die Kolbenbewegung wird durch eine Feder 56 und einen Sehräg- seheibenmechanismus 58 gesteuert; der Schräg- lagewinkel der Schrägscheibe ist einstellbar. um die Brennstoffzufuhr zur Anlage einstel len zu können. Beim Rotieren des Pumpen rotors 50 gellen die Kolben 56 in den Bohrun gen 55 hin und her und saugen Brennstoff aus der Einlassöffnung 52a der Pumpe, welche miit der Saugleitung 52 der Pumpe in Verbin dung steht. Dadurch wird Brennstoff unter Druck durch die Auslassöffnung 59a in die Förderleitung 59 gepumpt, welche mit der nicht gezeichneten Verbrennungseinrichtung der Anlage verbunden ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der unter Druck stehende Brennstoff in der För- derleitung 59 zur Speisung des Servomotors 31 verwendet. Der Brennstoff in der Kammer 54 dagegen dient zur Steuerung des Servo motors zweeks Festlegung der Stellung des Kolbens 31a in seinem Zylinder.
Jeder hydraulische Servomotor 31 besitzt einen Zylinder 31b, in welchem der Kolben 31a arbeitet, sowie einen Steuermechanismus 60, mittels welchem die Lage des Kolbens 31a für Zylinder 31b bestimmt wirl. Im Innern des Zylinders 31b sind zwei Büchsen 61, 62 angeordnet, auf denen die Kolbenstange ge führt ist. Der Kolbenkopf 63 ist, auf der Stange des Kolbens 31a zwischen den Büchsen 61 und 62 so angeordnet, dass diese Büchsen als den lub begrenzende Anschläge für den Kolben dienen. Der Kolben 31a ist hohl und sein Inneres steht durch eine Bohrung 64 mit der Zylinderkammer 65 auf der einen Seite des Kolbenkopfes 63 in Verbindung.
Dem zurfolge ist die wirksame Quersehnittsfläche auf derjenigen Kolbenseite., die der Kammer 65 zugekehrt ist, -rösser als die auf der an dern Kolbenseite, welche einer Zvlinder.#karrl- nier 66 zugekehrt ist. Der Zylinder 31b besitzt ein Ansehlussst.üek 67,<B>da";</B> an die Förderlei- tLing 59 mittels einer Zweigleitung 93 allge schlossen ist. Vorn Anseblussstiiek 6 7 führen Bohrunf-en 68, 69 zur Kammer 65 bzw. 66.
Die Bohrung 69, welche zur Kammer 65 auf derjenigen Seite des Kolbenkopfes 63 führt, welche die grössere wirksame Querschnitts- 1'läche aufweist, besitzt eine Drossel 70, deren Zweck aus dem folgenden ersichtlich ist. Der Steuermechanismus 60 ist an jenem Ende des Zylinders 31b angebracht, das der Kolbenseite mit grösserer wirksamer Quer- sclnittsfläche näher liegt. Der Steuermecha nismus 60 weist eine in zwei Abteile 71 und 72 unterteilte Kammer auf; die Unterteilung bewirkt eine biegsame Membran 73.
Das dem Zylinder 31b näher liegende Abteil 71 ist durch ein Anschlussstück 74 und eine Zweig leitung 75 mit der Saugleitung 52 der Brenn- stoffpumpe 47 verbunden, während das an dere Abteil 72 dureh ein Anschlussstück 76 und eine Leitung 77 mit der Kammer 54 der Brennstoffpumpe 47 verbunden ist, welcher Druckfluidum zugeführt wird, dessen Druck der Drehzahl des Kompressors proportional ist. Demzufolge ist die Membran 73 auf der einen Seite (in Richtung gegen den Zylinder 31b hin) einem Druck ausgesetzt, der eine Funktion der jeweiligen Kompressordrehzahl ist.
Die Membran 73 ist ferner durch eine Feder 78 belastet, welche im Innern der hohlen Kolbenstange des Kolbens 31u ange ordnet ist. Zu diesem Zweck ist an der End- wand des Zylinders 31b ein axial gerichteter Hals 79 vorgesehen, in welchem eine Bohrung vorgesehen ist. In dieser Bohrung sitzt eine Hülse 80, die eine gleitbare Stossstange 81 ent hält; das eine Ende dieser Stange liegt an einem Anschlag 73a an, der an der Membran 7 3 vorgesehen ist, während das andere Stan genende gegen einen Anschlag 81b für die Feder 78 anliegt. Der andere Anschlag der Feder 78 wird vom Kolben 3la gebildet.
Die Stange 81 gleitet in der Hülse 80 und ist mit Bünden 81a, die als Dichtung wirken, ver sehen, um Leekverluste an Druckfluidum aus dem Raum 65 des Zylinders 31b in das Ab teil 71 des Steuermechanismus 60 zu verhin dern.
Es versteht sieh, dass, wenn der Kolben 31a sieh im Zylinder 31b gegen den Steuer mechanismus 60 hin bewegt, die durch die Feder 78 bewirkte Belastung der Membran 7 3 erhöht wird. Die Belastung hängt jeweils von der Stellung des Kolbens 31a im Zylinder 31b. ab. Es versteht sich ferner, dass diese Feder- belastung der durch den Fluiddruck an der Membran 73 wirkenden Belastung entgegen wirkt.
Die biegsame Membran 71 ist ferner durch eine zweite Feder 82 belastet, die im gleichen Sinne wie die Feder 78 wirkt. Die Feder 82 liegt einerends am Element 73a und ander- ends an einer Schulter im Hals 79 an. Bewe gungen der Membran 73 werden auf eine zweite Stossstange 83 übertragen, welche gleit- bar in einer Büchse 84 in der Wand des die Membran enthaltenden Abteils 72 angeordnet ist. Bewegungen der Stange 83 werden ihrer seits auf einen Halbkugelventilträger 85 eines Ventilmechanismus übertragen.
Der Ventil mechanismus besitzt einen Halbkugel-Ventil körper 86, der mit einer Anzapföffnung 87 zweek_ s Steuerung des über die Bohrung 88 aus der Kammer 65 abgezapften Fluid- stromes versehen ist. Der abgezapfte Strom gelangt in einen Raum 89, der durch ein An schlussstüek 90 und eine Leitung 91 mit der Saugleitung 52 der Pumpe 47 verbunden ist. Der IIalbkugelventilträger 85 und die Stoss stange 83 sind durch eine schwache Feder 92 in von der Membran 73 abgekehrter Richtung belastet.
Die Wirkungsweise des Servomotors mit dem Steuermechanismus ist .dabei folgende: Angenommen, der Kompressor befinde sich im Stillstand. Dann ist. das Halbkuigelventil 86 des Ventilmechanismus geschlossen und wird auf den Sitz rund um die öffnung 87 gepresst, während der Kolbenkopf 63 des Kol bens 31a gegen die Hülse 61 an dem vom Steuermechanismus abgekehrten Ende des Zylinders 31b anliegt, in welcher Lage er durch die Feder 78 gehalten wird:
Beim Anlassen der Anlage wird auf bei den Seiten des Kolbenkopfes in den Kam tnern 65 und 66 Druck erzeugt, da durch die Bohrung 88 und das Ventil 86. 8 7 kein Flui dum entweichen kann. Diese Drücke bleiben sieh jedoch gleich, so da.ss der Kolben seiner seits stationär bleibt. Clleichzeitig nimmt der Druck in der Pumpenkammer 54 und somit der auf die Membran 73 wirkende Druck zu- folge der Zunahme der Maschinendrehzahl (das heisst der Konpressordrehzahl ) zu.
Wenn der auf die Membran 73 wirkende Druck gross genug ist, um die Wirkung der zweiten Feder 82 zu überwinden, hebt sich das Halbkugelventil 86 von seinem Sitz rund um die Öffnung 87 ab, und aus der Zylinder kammer 65 strömt. Druckfluidun ab, so dass der Druck in dieser Kammer gegenüber dem in der Kammer 66 herrsehenden Druck fällt. Wenn der Druck in der Kammer 65 so weit gefallen ist, dass der Unterschied der wirk samen Querschnittsflächen der beiden Seiten des Kolbenkopfes 63 ausreglichen ist, dann überwindet die Fluiddruekbelastung des Kol bens 31a die Wirkung der Feder 50 und der Kolben 31a bewegt sicl im Zylinder 31b. Diese Kolbenbewegung hält so lange an, als die Kompressordrehzahl zunimmt, und zwar bis diese Drehzahl einen vorbestimmten Wert erreicht und der Kolbenkopf 63 an der Hülse 62 anliegt.
Bei Drehzahlen, die über der vor bestimmten Drehzahl liegen, bei welcher der Kolbenkopf 63 an der Hülse 62 anliegt, ist der Steuermechanismus wirkungslos.
Benn Beispiel gemäss den Fig . 3-7 wird der Steuermechanismus so eingestellt, dass der Kolbenkopf 63 bei einer Drehzahl gegen die Hülse 62 stösst, bei welcher keine Einführung von zusätzlichem Arbeitsfluidum mehr erfol gen soll. Der Kolben 31a ist so mit dem Teil 30 verbunden, dass, wenn der Kolbenkopf 63 gegen die Anschlaghülse 62 anschlägt, die ver drehbaren Ventilkörper eine solche Lage er reichen, in welcher die Öffnungen 25 nicht mehr mit den Öffnungen 23 übereinstimmen.
Wenn der Steuermechanismus gemäss Fig. 9 dazu verwendet werden soll, die verstellbaren Leitschaufeln 13 zu verstellen, dann wird der Kolben 31a so mit dem Arm 42 (Fig. 8) ver bunden, dass, wenn sieh der Kolbenkopf 63 von der Anschlaghülse 62 weg bewegt, die Leitschaufeln 13 um ihre Längsachse so ver dreht werden, dass der Drall des Arbeitsflui dums vermindert wird, und der Steuermecha nismus 60 der Kolbenvorrichtung ist so aus gebildet und angeordnet, dass, wenn der Kol benkopf 63 gegen die Anschlaghülse 62 stösst, die Einlass-Leitschaufeln 13 ihre normale Ar beitsstellung einnehmen.
Sollen die verdrehbaren Ventilkörper 24 und die verstellbaren Leitschaufeln 13 gleich zeitig verstellt werden, so sind zwei Servo motoren 31 vorgesehen. Der zweite Servo- notor und sein zugeordneter Steuermechanis mus sind in diesem Fall, in gleicher Weise wie es in Fig. 9 gezeigt ist, an die Brennstoff pumpe angeschlossen. Entsprechende Verbin dungen 93a, 75a, 77a und 91a, wie sie in Fig. 9 angedeutet sind, sind in diesem Fall vorgesehen.
Durch geeignete Wahl der Stärke der Fe dern 78 und 82 in den beiden Servomotoren 31 kann die Drehzahl, bei welcher die Servo- notoren 31 wirksam sind, die gleiche oder eine verschiedene sein.
Soll das Einführen von zusätzliehem Ar beitsfluidum in Abhängigkeit von einer Be triebsgrösse des Kompressors erfolgen, die sich mit der Kompressordrehzahl ändert, das heisst welche bei einer Zunahme dieser Drehzahl zunimmt und bei einer Abnahme dieser Dreh zahl abnimmt, dann kann die Anordnung wie folgt getroffen sein Zur Steuerung des Einführens von zusätz lichem Arbeitsfluidum entsprechend der kor rigierten Drehzall des Kompressors, welche, wie bekannt, gleich der wirklichen Drehzahl dividiert durch die Quadratwurzel der Ein- lasstenperatur und multipliziert mit einer Konstanten ist, wird das Ventil 86 zuszätzlich, z. B. mittels eines Federbalges, belastet, dessen Inneres mit einem Element im Kompressor einlass verbunden ist.
Dieses Element ist mit Druekflttidum gefüllt, dessen Druck sieh mit der Temperatur ändert. Es kann jede andere auf Temperatur ansprechende Vorrichtung vorgeseh en sein.
Zur der Einrülirun a zusätzli chen Arbeitsfluidums entsprechend dein Kom- pressoi#endruek, entwecler des Überdruckes oder des Absolutclruekes, kann eine auf Druck ansprechende Vorrielitung, z. B. eine Mem- bran oder eine Dose oder dergleichen, vor gesehen sein, welelie so angeordnet ist, dass sie auf den Kompressorenddruel ansprielt.
Diese Vorrichtung ist ferner zweckmässig so angeordnet, dass sie Ventilmittel steuert, wselche über entsprechende Servomechanismen die Einführung steuern. Eine Steuerung der Einführung von zusätzlichem Arbeitsfluidum entsprechend dem Kompressor-Druckverhält nis kann dadurch erreicht werden, dass eine auf Druel ansprechende Vorrichtung mit zwei druckempfindlichen Dosen vorgesehen ist; die eine Dose ist dabei in einer Kammer angeordnet, welche mit dein Kompressor einlass in Verbindung steht, während die an dere Dose in einer Kammer angeordnet ist, welehe dem Kompressorenddruck ausgesetzt ist.
Die beiden Dosen wirken auf eine dreh bare Stange, deren deren Drehlager dem Befesti gungsende derjenigen Dose, welche dem Kom- pressorenddruck ausgesetzt ist, näher liegt als dem Befestigungsende der andern Dose an der Stange. Vorausgesetzt, dass die beiden Dosen gleiche Querschinittsllächen aufweisen, dann wird die Stange versehwenkt, wenn das Verhältnis des des Einlassdruckes zum Kompres- sorencldruck das vorbestimmte Verhältnis der Länge des kürzeren Stangenarmes zur Länge des längeren Stangenarmes überschreitet.
Die Anordnung ist dabei derart, dass dieses Ver- schwenken einen Seivomeehanismus zur Steuerung eines Ventils betätigt, das das Ein- trell voll zusätzlichen Arbeitsfluidum be wirkt, wenn das Verhältnis des Kompressor- enddruckes zum Einlassdruck unter einen vorbestimmten Wert sinkt beim Fallen der Kompressordrehzahl und das dieses Ein führen verhindert, wenn bei steigender Kom pressordrehzahl das Verhältnis den genann ten vorbestimmten Wert übersteigt.
Es versteht sieh, dass die vorliegende Er findung rieht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist. So kann all Stelle der An zapfung voll Luft, zwecks Einführers von zu- sätzliehenl Arbeitsfluidum am Einlass des Kompressors über einen äussern Teil der Ein- lass-Leitselaufeln, das zum Einführen von zusätzlichem Arbeitsfluidum erorderlielie Fluidum auchc einer getrennten Quelle ent- lollllllell werden.