Mehrstufiger Axialströmungskompressor Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mehrstufiger Axialströmungskompres sor, der zwei relativ zueinander rotierende Körper aufweist. Dabei kann nur der eine der beiden Körper drehbar sein, während der andere stillsteht, oder es können beide Kör per in zueinander entgegengesetzten Dreh richtungen rotieren. Die Erfindung bezwveclkt die Schaffung eines Axialströmnungskompres- sors der genannten Art, der Mittel aufweist, welche die Änderung der Betriebscharakte ristik des Kompressors in einer gewünschten Weise über einen relativ grossen Betriebs bereich des Kompressors gestatten.
Es ist üblich, einen Kompressor für be stimmte Drehzahl und Förderverhältnisse aus zulegen, so dass in diesem Betriebspunkt ein maximaler Wirkungsgrad erzielt, wird. Bei Drehzahlen, die unter dieser Nenndrehzahl liegen, wenn der Druckanstieg pro Stufe des Kompressors geringer ist als der Nenndruck anstieg, besteht die Neigung zur Beschleuni gung der Axialströmung des Arbeitsmediums vom Einlass zum Auslass des Kompressor, da das Gesamtkompressionsverhältnis des Kom- pressors dann kleiner ist als das Nennkom pressionsverhältnis.
Diese Beschleunigung der Strömung zeigt sieh in einer Verminderung der axialen Geschwindigkeitskomponente des Arbeitsmediums am Einlass und einer Zu nahme der axialen Geschwindigkeitskompo nente des Arbeitsmediums am Kompressor- auslass, verglichen mit jenen axialen Geschwin digkeitskomponenten, wie sie bei den Nenn betriebswerten auftreten.
Die zur Aufrechterhaltung des besten Wir kungsgrades des Kompressors bei Nenndreh zahl gewählten Winkel und Form eignen sich nicht zur Aufrechterhaltung dieses Wirkungs grades bei geringeren Drehzahlen. Ferner er geben sich, besonders wenn der Kompressor mit hohem Kompressionsverhältnis, zum Bei spiel 5 :1, arbeitet, erhebliche Schwierigkei ten bei der Aufrechterhaltung des Betriebes mit relativ geringen Drehzahlen. Solche Schwierigkeiten sind bekannt und umfassen zum Beispiel das sogenannte Pumpen in den Einlassstufen des Kompressors, das eine Folge der Herabsetzung der axialen Geschwin digkeitskomponente des Arbeitsmediums ist;
dieses Pumpen kann zu einem völligen Zu sammenbruch der normalen Strömungsver hältnisse im- Kompressor führen.
Es wurde schon vorgesehen, diese .Schwie rigkeiten dadurch zu beheben, da.ss Mittel zum Einstellen der Leit- und/oder Laufschaufeln, besonders der Schaufeln der Einlassstufen des Kompressors vorgesehen werden, um den Drall des Arbeitsmedüuns in diesen Stufen so ändern zu können, dass das genannte Pum pen vermieden wird.
Ein anderer Vorschlag zur Behebung der genannten Schwierigkeiten ging dahin, 1VIittel zum Abzapfen eines Teils des Arbeitsmediums des Kompressors an einer zwischen Einlass und Auslass desselben liegenden Stelle vorzu sehen. Diese Anordnung gestattet es, die axiale Geschwindigkeitskomponente des Ar beitsmediums in den Niederdruckstufen des Kompressors auf einem Wert zu halten, der annähernd gleich dem bei Nennbedingungen erhaltenen Wert entspricht, ohne dass in den übrigen Kompressorstufen die axiale Ge schwindigkeitskomponente erhöht wird. Diese Methode bringt neben einigen erwünschten Vorteilen auch unerwüinsehte Verluste und stellt ferner schwierige Einbau- und Steuer probleme.
Es ist zu bemerken, dass die angeführten Schwierigkeiten noch vergrössert werden, wenn der Kompressor für hohes Kompressionsver hältnis gebaut ist, da dann eine besonders ausgeprägte Konvergenz des Kompressor durchlasses vorhanden ist. Auch bei Verwen dung von Hochleistungskompressoren mit Axialströmung in Gasturbinenanlagen, die als Flugzeugtriebwerk ausgebildet sind, nehmen die genannten Schwierigkeiten zu, da hier innerhalb eines relativ grossen Drehzahl-, Höhen- oder Einlassdruekbereichs ein hoher Wirkungsgrad verlangt wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung besitzt der mehrstufige Axialströmungskompressor einen Kranz von Einlassleitschaufeln, wobei von jeder dieser Einlassleitsehaufeln minde stens ein der innern Durchlasswand benach barter Teil zur Veränderung des Auslasswin- kels der Schaufel derart einstellbar ist, dass im Bereich der innern Durchlasswand am Aus lass des Leitschaufelkranzes in einem untern Drehzahlbereich die Drallkomponente des Ar beitsmediums grösser und die Axialkompo nente kleiner ist als in einem obern Dreh zahlbereich,
und so dass im Bereich der äussern Durehlasswand am Auslass des Leit- schaufelkranzes die Axialkomponente im un tern Drehzahlbereich grösser ist als im obern Drehzahlbereich.
Die Mittel zur Einstellung der einstell baren Schaufelteile umfassen zweckmässig eine auf eine Betriebsgrösse des Kompressors (zum Beispiel auf die wirkliche Kompressordreh- zahl, die korrigierte Kompressordrehzahl, den Kompressorförderdruck, das Kompressions verhältnis des Kompressors oder eine andere mit der Kompressordrehzahl sieh ändernde Betriebsgrösse) ansprechende Steuervorrich tung.
Einige Ausführungsbeispiele des erfin dungsgemässen mehrstufigen Axialströmungs- kompressors sind in der beiliegenden Zeich nung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 bis 3 je den Einlassteil eines Kom- pressors nach der Erfindung im Axialschnitt, Fig. 3a ein Paar Einlassleitschaufeln des Kompressors nach Fig.3. Fig. 4 bis 6 je den Einlassteil eines Kom- pressors nach der Erfindung und Fig. 7 eine Steuervorriehtung für den Kompressor, dessen Einlassteil in Fig. 6 ge zeigt ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kompres- sors mit der beschriebenen Einstellmöglich keit ist in Fig. 1 dargestellt. Bei diesem Kom pressor ist stromaufwärts der Einlassleitschau- feln 14 ein Kranz von einstellbaren Leit- schaufeln 23 vorgesehen. Jede Schaufel 23 ist mittels ihres Zapfens 24 beschränkt dreh bar, wobei dieser Zapfen in einer Axe liegt, die annähernd radial zur Drehaxe X-K des Kompressors verläuft. Der Zapfen 24 erstreckt sieh am Einlass 17 durch einen stationären Teil 21 der innern Wand des Kompressor- durchlasses 16 hindurch.
Die Schaufeln 23 erstrecken sieh nicht ganz bis zur äussern Durchlasswand, so dass sie innerhalb der Quersehnittsfläclre eines koaxial im Innern des Kompressordurehlasses gedach ten Ringes liegen.
Wenn somit. die Schaufeln 23 durch ihre -Zapfen ?4 im Sinne einer Ver- grösserung ihres Auslasswinkels relativ zur Axialrichtung des Kompressors verdreht wer den, wird das Verhältnis zwischen der Drall komponente und der Axialkomponente der diesen Schaufelkranz durchströmenden Luft.
im Bereich der innern Durehlasswand ver grössert, während das entsprechende Verhält nis im Bereich der äussern Durehlasswand un verändert bleibt. Zufolge der herabgesetzten Axialkomponente der Luft im innern Ring- teil des Durchlasses wird dagegen bei einem gegebenen Massendurchfluss die axiale Ge schwindigkeitskomponente im Bereich der äussern Durchlasswand vergrössert.
Die Schaufeln 23 sind zweckmässig so mit einander verbanden, dass sie alle gleichzeitig einstellbar sind. In diesem Fall sind, wie in der Zeichnung dargestellt, die Drehzapfen 24 mit Winkelarmen 22 versehen, welche derart in einen Ring 21 eingreifen, dass ein Drehen des Ringes 21 um die Axe X-X ein gleich zeitiges Einstellen aller Schaufeln 23 zur Folge hat.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs beispiel sind die Einlassleitschaufeln, welche sich von der innern Durchlasswand bis zur äussern Durchlasswand erstrecken, in bekann ter Weise um ihre Drehzapfen 25 einstellbar und zu gleichzeitiger Betätigung miteinander verbunden.
Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbei spie l des Einlassteils eines mehrstufigen Axial- konmpressors. Die Einlassleitschaufeln beste- lhen hier je aus zwei Teilen 27, 28, wobei jede Schaufel zur Bildung der beiden Teile an der Stelle t26 quer zur Schaufellängsaxe geteilt ist. Der radial äussere Schaufelteil 27 jeder Schaufel ist am Kompressorgehäuse 11 befestigt, während der radial innere Schaufel teil 28 jeder Schaufel einen Drehzapfen 29 aufweist, der um eine radial zur Drehaxe X-X des Kompressors verlaufende Axe be grenzt drehbar ist.
Auch hier sind zweckmässig alle radial innern Schaufelteile 28 zu gleich- zeitimger Betätigung miteinander verbunden.
Somit bewirkt ein Einstellen der radial innern Schaufelteile 28 der Einlassleitschau- feln im Sinne eine Vergrösserung des Aus lasswinkels dieser Schaufeln bei niederen Kom pressordrehzahlen eine Vergrösserung des Ver hältnisses zwischen der Drallkomponente und der axialen Geschwindigkeitskomponente der die Leitschaufeln durchströmenden Luft im Bereich der innern Durchlasswand. Dagegen wird das entsprechende Verhältnis im Be reich der äussern Durchlasswand nicht v erän- cdert, da die radial äussern Schaufelteile 27 ortsfest bleiben, wobei jedoch die axiale Ge- schwindigkeitskomponente an dieser Stelle vergrössert wird.
Die Fig.3 und 3a zeigen ein dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 3 analoges Beispiel, nur dass hier die radial äussern Leitschaufel- teile 27 unabhängig von den radial innern Leitschaufelteilen 28, aber um die gleiche Axe drehbar sind. Dies gestattet es, wenn er wünscht, das Verhältnis der Drallkomponente zur Axialkomponente der Strömung auch im Bereich der äussern Durchlasswand zu ver- grössern, um Pumpen zu vermeiden. Da gegen wird das Ausmass der Verstellung im Bereich der äussern Durchlasswand nicht so gross sein, wie das Ausmass der Verstellung im Bereich der innern Durchlasswand.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist jede Einlassleitschaufel 14 zur Bildung zweier Schaufelteile 31, 32 längs einer Schaufeldia gonalen 33 geteilt. Diese Diagonale 33 führt, von der Sehaufelvorderkante im Bereich der innern Durchlasswand zur Sehaufelhinter- kante im Bereich der äussern Durchlasswand. Der Vorderteil 31 der Schaufel ist am Kom- pressorgehäuse verankert, während der Schau felhinterteil 3? auf Drehzapfen 35 sitzt und durch diese um die Axe 33 beschränkt dreh bar ist.
Die in Fig.4 gezeigte Leitschaufel 14 ist nicht, mir mittels des Winkelarmes 36 und eines Ringes 3'7 ausserhalb der innern Durch lasswand mit den andern Leitschaufeln ver bunden, sondern zusätzlich mit einer Kurbel 38 verbunden, die ein Einstellen der .Schau feln von der Aussenseite des Gehäuses 11 her gestattet. Beim Drehen der Kurbel 38 wird auch der Winkelarm 36 gedreht, so dass durch den Ring 3'7 alle übrigen Leitschaufeln 14 gleichzeitig verstellt werden. Somit braucht nur eine Leitschaufel 14 mit einer Kurbel 38 versehen zu sein.
Der Einlassteil eines weiteren Axialströ- mungskompressors ist in Fig. 5 dargestellt-. Bei diesem Beispiel sind die Einlassleitschaufeln 14 durch Verdrillung deformierbar. Jede aus Stahl bestehende Schaufel 14 ist mit ihrem radial äussern Endteil am Kompressor- gehäuse 11 verankert, während der radial innere Schaufelendteil einen Drehzapfen 34 trägt,
der in einer annähernd radial zur Kom- pressordrelhaxe X-X verlaufenden Axe liegt. Ein Betätigungsmechanismus, der eine Nur bei 40 und einen Ring 41 aufweist, dient zum gleichzeitigen Einstellen aller Schaufeln 14 mittels der Drehzapfen 34, was durch ein Verdrillen der Schaufeln 14 bewirkt wird, und zwar so, dass der Auslasswinkel jeder Schaufel kontinuierlich von der innern Durehlasswand bis zur äussern Durchlass wand, in welchen Wänden die Schaufel enden verankert sind, verändert wird.
Fig.6 zeigt ein weiteres Ausführungsbei spiel. Bei diesem Beispiel sind die einstell baren Schaufeln 49 unmittelbar stromabwärts des ersten Laufsehaufelkranzes 50 angeordnet, das heisst die einstellbaren Leitschaufeln ge hören zur ersten Kompressorstufe. Jede Leit- schaufel 49 ist zweiteilig ausgebildet. Der radial äussere. Leitschaufelteil 51 ist am Kom pressorgehäuse 11 befestigt, das die äussere Wand des Kompressordurchlasses bildet. Der radial innere Schaufelteil 52 sitzt auf einem Drehzapfen 53, der sich durch den radial äussern Schaufelteil 51 und das Gehäuse 11 hindurch erstreckt. Die Axe des Drehzapfens 53 verläuft annähernd radial zur Drehaxe X-X des Kompressors.
Der Drehzapfen 53 ist an seinem äussern Ende mit den Dreh zapfen der andern Leitschaufeln dieser Stufe mittels eines Winkelarmes 54 und eines Rin ges 55 verbunden, so dass die radial inneran Schaufelteile 52 aller Schaufeln gleichzeitig im Sinne einer Vergrösserung der Auslass winkel eingestellt werden können.
Das Einstellen des Auslasswinkels der Leit- schaufeln einer Einlassstufe des Kompressors kann auch stetig erfolgen, so dass der Aus lasswinkel stetig auf seinen maximalen Wert zunimmt, wenn die Kompressordrehzahl ab nimmt. Anderseits kann die Einstellung von einem Auslasswinkel auf einen zweiten Aus lasswinkel erfolgen, wenn die Kompressordreh- zahl oder eine andere variable Betriebsgrösse, welche sieh mit der Drehzahl ändert, von einem bestimmten Wert abweicht. Der Aus lasswinkel wird dabei verkleinert, wenn vom bestimmten Wert bei einer Drehzahlzunahme abgewichen wird und umgekehrt.
Fig.7 zeigt, wie die einstellbaren Leit- schaufeln in Fig. 6 aus einer ersten Stellung in eine zweite gebracht werden können und umgekehrt, wenn von dem Wert der va riablen Betriebsgrösse bei einer Änderung der Kompressordrehzahl abgewichen wird. Wie Fig. 7 zeigt, ist ein Ring 55 um die Drehaxe X-X des Kompressors beschränkt drehbar angeordnet. Er wird von einer hydraulisclhen Servovorriehtung 56 betätigt, welche über einen Steuerschieber 59 durch eine Pumpe 57 mit Öl aus einem Reservoir 58 gespeist wird.
Der Steuerschieber 59 ist an eine Vorrichtung 60 angesehlossen, welche auf Änderungen einer Kompressorbetriebsgrösse, zum Beispiel auf die Drehzahl, auf den Kompressordruck oder auf das Kompressionsverhältnis des Kom- pressors, anspricht. Wenn der momentane Wert der variablen Betriebsgrösse kleiner ist als der vorbestimmte Wert, fördert die Pumpe 57 Fluidum zum einen Ende der Servovor- richtung 56. Wenn dagegen der momentane Wert der variablen Betriebsgrösse grösser ist als der vorbestimmte Wert dieser Grösse, dann ist die Pumpe an das andere Ende der Servo- vorrichtung angeschlossen.
Wenn somit vom vorbestimmten Wert der variablen Betriebs grösse abgewichen wird, werden die an die Pumpe 57 angeschlossenen Enden der hydrau lischen Servovorriehtung vertauscht, wobei der Ring 55 aus der einen Stellung in die an dere bewegt wird.
Die Servovorriehtung 56 und die Pumpe 57 sind derart angeordnet, dass, wenn die Betriebsgrösse bei einer Drehzahlzunahme vom vorbestimmten Wert abweicht, die daraus resultierende<U>Bewegung</U> der radial innern Selhaufelteile 52 ihren Auslasswinkel von einem ersten Wert. auf einen zweiten Wert herab setzt, und -eng die Betriebs;-rösse bei einer Drrehzahlabnahine vom vorbestimmten Wert abweicht, die daraus resultierende Be-,veluig der radial innern Schaufelteile :
5? ihren Aus lasswinkel vom zweiten Wert auf den ersten Wert v er-rössert. Wenn eine stetige Einstellung der radial innern Schaufelteile 52 mit einer stetigen Änderung der variablen Betriebsgrösse ge wünscht wird, können eine besonders ausgebil- dlete Steuervorrichtung und die Servovorrich- tung 56 so miteinander gekuppelt wirr, dass die Stellung des Kolbens der Servovorrich tung von der Stellung eines Gliedes der Steuervorrichtung und somit vom jeweiligen Wert der variablen Betriebsgrösse abhängt.