Turboverdichteranlage mnit Rekuperationsturbine Die Erfindung bezieht sieh auf eine Turbo- verdiehteranlage, bei welcher der Verdichter mit der Rekuperationsturbine gekuppelt ist.
1 ie ist. dadurch gekennzeichnet, Re- dass die Re- kuperationsturbine mit einem Diffusor an der Austrittsseite und mit einem Leitapparat mit verstellbaren Leitschaufeln vor dem ersten Laufsehaufelkranz ausgerüstet ist.
In Rekuperationsturbinen wird bekannt lich unter Leistungsrückgewinnung ein Teil des in einem Verdichter komprimierten Me diums - beispielsweise Luft - wieder ent spannt, so dass auch bei einer geringen Menge der an einer Verbrauchsstelle benötigten Dreckluft der Verdichter nicht unter die Pumnpgrenze gerät. Die Regulierung der An lage bzw. der Verbrauelhsmenge geschieht durch Veränderung der Rekuperationsmenge. 1Der Regulierbereieh ist also nach oben durch die bei einer bestimmten Drehzahl durch den Verdichter geförderte Luftmenge begrenzt. Wieweit sieh der Bereich nach unten er streckt, Hängt davon ab, wie gross die Teil menge ist, die malimal in der Rekuperations- turbinre entspannt werden kann.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, den Regulierbereich einer solchen Anlage be trächtlich gegenüber bekannten Anlagen zu vergrö Bern, weil nunmehr die Rekuperations- turbine bei verbessertem Wirkungsgrad im ganzen Regulierbereich eine grössere Luft menge verarbeiten kann. Man könnte zwar annehmen, dass sich die Erhöhung des Durch- sattes einfach durch Vergrösserung der Ab messungen der Turbine erreichen liesse. Dabei wird aber übersehen, dass der Turbinengrösse in radialer Richtung durch die mechanische Beanspruchung infolge der Fliehkräfte eine Grenze gesetzt ist.
Auch eine Anpassung der Drehzahl an die jeweilige Rekuperations- menge ist nicht möglich, weil die Rekupera- tionsturbine mit dem Verdichter gekuppelt sein soll.
Steigert man aber die Durchsatz menge über das bisher übliche Mass hinaus, so ergibt sich eine sehr grosse absolute Aus trittsgeschwindigkeit aus dem Laufschaufel- kranz. In diesem Fall ginge aber an Aus trittsenergie des entspannten Mediums so viel verloren, dass durch die Rekuperationsturbine nur noch ein geringer Teil der Leistung zu- riiekgewounen werden könnte.
Gemäss der Erfindung wird nun dieser Nachteil dadurch behoben, dass an der Aus trittsseite der Turbine ein Diffusor angesetzt ist. Ein solcher Diffusor wäre aber nur bei gleiehmässiger Beaufschlagung des vorgeschal teten Turbinenrades voll wirksam. Dies ist jedoch mit Hilfe der bisher üblichen Regu lierung durch zu- und abschaltbare Düsen gruppen nicht möglich. Gemäss der Erfindung wird dagegen vorgeschlagen, die Regelung mit Hilfe eines Leitapparates mit, verstellbaren Leitschaufeln vor dem ersten Laufschaufel kranz auszuführen.
Darüber hinaus hat die Düsengruppen regulierung bekanntlich den Nachteil, dass der Turbinen-Wirkungsgrad nur in einigen Be triebspunkten einen optimalen, dagegen in benachbarten Punkten bereits einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad besitzt. Im Gegen satz dazu sinkt der Wirkungsgrad bei der Re gulierung mit Hilfe eines Leitapparates im gesamten Regulierbereich nur unwesentlich unter den optimalen Wert.
Bei gegebenem Laufsehaufel-Austrittswin- kel und gegebener Umfangsgeschwindigkeit ist bei stark variierender Rekuperationsmenge die Richtung der absoluten Austrittsgeschwindig keit stark veränderlich. Damit kann sich bei grossen Durchsatzmengen auch eine grosse Komponente der absoluten Austrittsgeschwin digkeit in Umfangsrichtung einstellen. Diese Komponente wird bei einem rein axialen Diffusor durch Wirbelung vernichtet. Somit geht ein Teil der Austrittsenergie verloren. Wenn man dagegen den Abstand der Mittel linie des Diffusorkanals von der Rotations achse in Austrittsrichtung zunehmen lässt, wird nach dem Gesetz der Erhaltung des Dralls auch die Umfangskomponente der ab soluten Austrittsgeschwindigkeit verzögert und damit auch noch die dieser Komponente entsprechende Energie gewonnen.
Die genannten Vorteile gelten insbeson dere, wenn die Rekuperationsturbine einstufig ausgeführt ist. In diesem Falle wäre einer seits die Wirksamkeit des Diffusors durch ungleichmässige Beaufschlagung bei Düsen gruppenregulierung besonders gefährdet, an derseits ist aber die beste Ausnutzung der Turbine über den genannten Regulierbereich zu erzielen. Einstufige Rekuperationstur- binen werden nicht nur dort benutzt, wo der Verdichterenddruck sehr niedrig ist, sondern mit Vorteil auch dort, wo man durch Abzwei gen der Teilmenge aus einer Zwischenstufe des Verdichters den Rekuperationsdruck der ein stufigen Turbine angepasst hat.
Besonders güinstig ist es, wenn das Lauf rad der Rekuperationsturbine fliegend ange bracht und der verstellbare Leitschaufelkranz auf der dem Turboverdichter abgewandten Seite dieses Rades angeordnet ist. Diese von der bisherigen Bauweise abweichende Kon- struktion ermöglicht es, den Verstellmechanis- mus für die Leitschaufeln in Verlängerung der Turbinenachse und somit zentrisch anzubrin gen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Die in dem Turboverdichter 1 kompri mierte Luft wird durch den Austrittsstutzen 2 über die Hauptleitung 3 zu einer nicht darge stellten Verbrauchsstelle geführt. Ein Teil der aus dem Stutzen 2 austretenden Luft menge kann über den Eintrittsstutzen 4 in die Rekuperationsturbine 5 geleitet werden. Sie durchströmt den Leitsehaufelkranz 6, den Laufschaufelkranz 7, den Diffusorkanal 8 und verlässt die Turbine durch den Austritts stutzen 9. Die Laufschaufeln sind an einem fliegend montierten Rad 10 befestigt, welches in den Lagern 11 gehalten und durch die Kupplung 12 mit der Welle des V erdiehters starr gekuppelt ist. Die Leitschaufeln 6 kön nen mit Hilfe des durch den Servomotor 13 gesteuerten Einstellmechanismus 14 verdreht werden.
Infolge des fliegend angeordneten Laufrades 10 und der auf dessen dem Ver dichter 1 abgewandten Seite angebrachten ver stellbaren Leitschaufeln 6 kann der gesamte Verstellmeelranismus 14 einschliesslich des Servomotors 13 zent.riseh in Verlängerung der Turbinenachse an-ebraeht werden.
Lediglich durch das Verstellen der Leit schaufeln 6 kann bei einer gegebenen An lage der gesamte Regulierbereich bestrichen werden. Wollte man eine mehrstufige, bei spielsweise eine zweistufige Rekuperations- turbine verwenden, so könnte ein zweiter ver stellbarer Leitsehaufelkranz zwischen dem ersten und dem zweiten Laufsehaufelkranz angeordnet werden. Es genügt. aber im all gemeinen ein einziger verstellbarer Leitschau felkranz vor dem ersten Laufschaufelkranz.
Turbo compressor system with recuperation turbine The invention relates to a turbo compressor system in which the compressor is coupled to the recuperation turbine.
1 ie is. characterized in that the recuperation turbine is equipped with a diffuser on the outlet side and with a diffuser with adjustable guide vanes in front of the first moving blade ring.
In recuperation turbines, as is well known, with power recovery, part of the medium compressed in a compressor - for example air - is released again, so that the compressor does not fall below the pump limit even with a small amount of dirty air required at a point of consumption. The system or the consumption amount is regulated by changing the amount of recuperation. 1The upper limit of the regulation range is therefore the amount of air delivered by the compressor at a certain speed. How far downward the area looks depends on how large the portion is that can be relaxed times in the recuperation turbine.
With the help of the invention it is possible to enlarge the regulation range of such a system considerably compared to known systems, because now the recuperation turbine can process a larger amount of air with improved efficiency in the entire regulation range. One could assume that the increase in throughput could be achieved simply by increasing the dimensions of the turbine. However, this overlooks the fact that the turbine size is limited in the radial direction by the mechanical stress caused by the centrifugal forces.
It is also not possible to adapt the speed to the respective amount of recuperation because the recuperation turbine should be coupled to the compressor.
If, however, the throughput rate is increased beyond what has hitherto been the norm, the result is a very high absolute exit speed from the rotor blade ring. In this case, however, so much external energy of the relaxed medium would be lost that only a small part of the power could be recovered by the recuperation turbine.
According to the invention, this disadvantage is now eliminated in that a diffuser is attached to the exit side of the turbine. However, such a diffuser would only be fully effective if the upstream turbine wheel were acted upon equally. However, this is not possible with the help of the previously customary Regu regulation by switching nozzle groups on and off. According to the invention, on the other hand, it is proposed that the regulation be carried out with the aid of a guide apparatus with adjustable guide vanes in front of the first rotor blade ring.
In addition, as is well known, the nozzle group regulation has the disadvantage that the turbine efficiency is only optimal in some operating points, whereas it is significantly poorer in neighboring points. In contrast to this, when regulating with the help of a guide device, the efficiency drops only slightly below the optimum value in the entire regulating range.
With a given blade exit angle and a given circumferential speed, the direction of the absolute exit speed can be greatly changed if the amount of recuperation varies greatly. In the case of large throughput quantities, this means that a large component of the absolute exit speed can also occur in the circumferential direction. With a purely axial diffuser, this component is destroyed by swirling. Part of the exit energy is therefore lost. If, on the other hand, the distance between the center line of the diffuser channel and the axis of rotation in the exit direction is increased, the circumferential component of the absolute exit velocity is also delayed according to the law of conservation of the swirl and thus the energy corresponding to this component is also gained.
The advantages mentioned apply in particular when the recuperation turbine is designed in one stage. In this case, on the one hand, the effectiveness of the diffuser would be particularly jeopardized by uneven loading in the case of nozzle group regulation, on the other hand, however, the best possible utilization of the turbine can be achieved over the aforementioned regulation range. Single-stage recuperation turbines are not only used where the final compressor pressure is very low, but also where the recuperation pressure of the single-stage turbine has been adapted by branching off the partial quantity from an intermediate stage of the compressor.
It is particularly favorable if the rotor of the recuperation turbine is mounted on the fly and the adjustable guide vane ring is arranged on the side of this wheel facing away from the turbo compressor. This construction, which differs from the previous design, makes it possible to attach the adjustment mechanism for the guide vanes as an extension of the turbine axis and thus centrally.
An embodiment of the invention is shown in the drawing.
The compressed air in the turbo compressor 1 is passed through the outlet nozzle 2 via the main line 3 to a point of consumption, not shown. A portion of the amount of air emerging from the nozzle 2 can be passed into the recuperation turbine 5 via the inlet nozzle 4. It flows through the guide vane ring 6, the rotor blade ring 7, the diffuser channel 8 and leaves the turbine through the outlet port 9. The rotor blades are attached to a cantilevered wheel 10, which is held in the bearings 11 and connected to the shaft of the V by the coupling 12 it is rigidly coupled. The guide vanes 6 can be rotated with the aid of the adjustment mechanism 14 controlled by the servo motor 13.
As a result of the overhung impeller 10 and the adjustable guide vanes 6 attached to its side facing away from the compressor 1, the entire adjustment mechanism 14, including the servo motor 13, can be zent.riseh in extension of the turbine axis.
Only by adjusting the guide vanes 6 can the entire regulating range be coated in a given situation. If you wanted to use a multi-stage, for example a two-stage recuperation turbine, a second adjustable guide vane ring could be arranged between the first and the second moving blade ring. It is sufficient. but generally a single adjustable guide blade ring in front of the first blade ring.