Mehrstufiger Axialströmungskompressor mit tragflächenförmigen Schaufeln Die Erfindung betrifft mehrstufige A.xia.l- strömungskompressoren mit tragflächenför- migen Schaufeln.
Die Schaufeln eines oder mehrerer Sehau- felkränze eines solchen Kompressors neigen bei Belastungen unterhalb der maimal vorge sehenen Belastung zu übermässigen Vibratio- nen, was zu Schaufelbrüchen führen kann.
Im allgemeinen nähern sieh die Schaufeln aller der dem Einlassende des Kompressors zugewandten Schaufelkränze bei fortschrei tend herabgesetzter Belastung einem wir kungslosen Zustand, weil das Verhältnis der Relativgeschwindigkeit des zu komprimieren den Fluidums quer zu den Schaufelkränzen zur Umfangsgesehwindigkeit in den Schaufel kränzen am Eingang herabgesetzt ist im Ver- < ,leich zum rennwert dieses Verhältnisses.
Es wird angenommen, dass ein kritisches Stadium erreicht wird, wenn infolge kleiner Unterschiede in den geometrischen Eigen sehaften der einzelnen Schaufeln eines einzel nen Kranzes oder infolge kleiner Verände rungen im Zustand des auftreffenden Flui- dumstromes längs des Umfangs eines Schau felkranzes eine Unstabilität der Strömung in den Kanälen zwisehen einigen Schaufeln auf tritt.
In diesem Falle werden die übrigen Sehaufeln des betroffenen Sehaufelkranzes er regenden Belastungen ausgesetzt, die aus der unstabilen Strömung folgen, und neigen zu Vibrationen, deren Kräfte grösser ,sind als die bei -Nennlast festgestellten.
Ausserdem führen Flatterschwingungen (Torsionsschwinäungen um eine Schaufellängsachse), die im Fadle von den kritischen Weit für Schaufeln der betreffenden Steifigkeit überschreitenden Einfallwinkeln erregt werden können, zu ähn lich hohen Spannungen in den Schaufeln.
Ein Zweck der Erfindung ist die Herab setzung der Gefahr des Auftretens über mässiger Schwingungsbeanspruchungen der Schaufeln eines Kompressors.
Gegenstand der Erfindung ist ein mehr stufiger Axialströmungskompressor mit einem Rotor, einem Kranz von am Rotor radial nach aussen stehend befestigten, tragflächenförmi- gen Schaufeln und mit.
einer zylindrisehen Wand, welche die Schaufeln an ihren radial äusseren Enden umgibt, wobei die zylindri- seheWand radial nach innen gerichtete Ein lassmittel für die Zufuhr von Fluidum zum Strömungskanal des Kompressors aufweist, welche Einlassmittel teilweise stromaufwärts in Bezug auf die Richtung der Strömung des zu komprimierenden Fluidums gerichtet sind, und längs des Umfanges der zylindrischen Wand in einer stromaufwärts der Auslassebene des Schaufelkranzes gelegenen Zone angeord net sind,
so dass das aus den Einla.ssmitteln ausströmende Fluidum eine Verengung des zu komprimierenden Fluidumstromes im Be reiche des Schaufelkranzes bewirkt. Das zu komprimierende Fluidum wird infolge der genannten Verengung mindestens auf kurze Distanz eine vergrösserte axiale Geschwindig keitskomponente aufweisen, wobei das Ver hältnis der axialen Komponente zur Umfangs geschwindigkeitskomponente des zu kompri mierenden, den Schaufelkranz beaufschlagen- den Fluidums vergrössert wird.
Die Neigung zum Vibrieren ist für Schaufeln charakte ristisch, die in der üblichen Art. an einem Ende befestigt. sind, während das andere Ende frei ist. Bei solchen Schaufeln trägt die erregende Belastung an einem Schaufellängs- stück des freien Schaufelendes viel mehr zur Schaufelbeanspruchung bei als an einem ähn lichen Längsstück am Befestigungsende der Schaufel.
Die Eindung ermöglicht es, die schwingungserregende Belastung der freien Schaufelenden des Schaufelkranzes zu verhin dern, indem das zu komprimierende Fluidum von den Enden ferngehalten wird. Diese Mass nahme ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn sie bei einem Rotorsehaufelkranz ange wandt wird; da die Gefahr von Schaufelbrü chen bei einem rotierenden Kranz, bei dem die durch die Vibration hervorgerufene Be anspruchung zusätzlich zu der zentrifugalen Beanspruchung auftritt, im allgemeinen grö sser ist.
Da die Lage derjenigen Schaufeln eines Schaufelkranzes, bei welchen die ge nannten Schwierigkeiten auftreten können, be züglich des Umfanges des Schaufelkranzes nicht vorausbestimmt werden kann, wird das die Verengung des Stromes bewirkende Flui dum zweckmässig gleichmässig über den Um fang des Schaufelkranzes verteilt zugeführt.
Das den Einla.ssmitteln zugeführte Flui dum kann zum Beispiel an einer stromabwärts des betreffenden Schaufelkranzes liegenden Stelle des Kompressors dem letzteren entnom men werden. Auf diese Weise durchströmt ein Teil des zu komprimierenden Fluidums erneut den fraglichen Schaufelkranz und ver grössert dadurch die Menge des durch den Schaufelkranz hindurchgehenden Fluidums, so da.ss das oben erwähnte Verhältnis der Ge- schwindigkeitskomponenten des Fluidums weiter vergrössert wird.
Wenn das Fluidum einer mittleren- Stelle des Kompressors ent- nommen wird, ergibt. sieh dagegen keine merkliche Zunahme dieses Verhältnisses in der Strömung durch die Schaufelkränze hin ter der Entnahmestelle.
Im allgemeinen ist es wünschenswert, dass die Menge des durch die Einlassmittel einge führten Fluidums bei fortschreitend herab gesetzter Kompressorbelastun- zunimmt. Folglich wird die Einführung des Fluidums vorzugsweise durch ein Organ oder eine ä.hn- liehe Einriehtuin -.;
- gesteuert, die auf die Kom- pressorbelastung\ mit von niedriger zu hoher Belastung fortschreitender Begrenzung der eingeführten Menge anspricht. Auf diese Weise kann die Zufuhr des Fluidums beim Anlassen des Kompressors voll wirksam sein und ganz abgestellt werden, wenn die Kom- pressorbelastung 60 bis -70 !o des Maximal wertes erreicht.
Die Erfindung kann weiterhin, ebenfalls bei mehrstufigen Kompressoren mit axialer Strömung angewandt werden, um bei ver schiedenen Belastungsbeding@ingen eine ähn liche Beziehung zwischen den Strömungsbe dingungen in den verschiedenen Schaufelstu fen durch veränderliche Beeinflussung der Strömung in einer oder mehreren Stufen bei unterschiedlicher Kompressorbelastung auf rechtzuerhalten.
Die Erfindung ist am besten an den kon struktiven Ausführungsbeispielen zu verste hen, die im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben werden.
Fig. 1 ist eine Sehiiittdarstellung einer Hälfte längs der Rotationsachse eines mehr stufigen Kompressors mit axialer Strömung in erfindun;sgemässer Ausführung.
Fig. 2 ist eine vergrösserte Ansieht einer Einzelheit des Statorgehäuses des in Fig. 1 gezeigten Kompressors.
Fig. 3 und 4 sind Ansichten der Schnitte III-III und IV-IV von Fig. ?.
Fig. 5 ist eine der Fig. 2 entsprechende Ansieht. .einer andern auf den in Fig. 1 ge zeigten Kompressor anwendbaren Konstruk tion.
Der Kompressor nach Fig. 7 hat. einen Ro tor 1 und ein Statorehäuse 2. welche ab- z7 wechselnd Kränze bewegter und feststehen der Schaufeln 3 bis 13 tragen, die in der Strömungsrichtung des zu komprimierenden Fluidums mit gegenseitigem Abstand aufein- anderfolgen. Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Sta.torgeliäuses im Bereiche der Schaufeln 6 lind 10.
Das Sta.torgehäuse 2 hat. eine Anzahl auf den Umfang mit. Abstand verteilte Aus trittsöffnungen 14, die stromaufwärts der Reihe der Statorschaufeln 10 radial von der Innenfläehe ausgehen. Diese Öffnungen führen in einen radial vorstehenden Um fangsflansch 15 an der Aussenseite des Ge häuses 2, ohne ganz durch diesen hindurch zugehen. Im Abstand von diesem Flansch gegen den Kompressoreinlass hin ist ein zweiter, ähnlicher Flansch 16.
Eine der An zahl der Austrittsöffnungen entsprechende Anzahl. Öffnungen 17 geht durch den zweiten Flanseh 16 und in, jedoch nicht durch den ersten Flansch 15, in einer Richtung parallel zur Kompressorachse, so dass jede dieser Öff nungen auf eine Austrittsöffnung 14 trifft. Die einander benachbarten Flächen 18 der Flansehe liegen in radialen Ebenen und bil den Dichtungsflächen für eine Scheibe 19, die in der zwischen den Plansehen 15 und 16 gebildeten Rinne liegt. Die Scheibe 19 um schliesst das Gehäuse längs eines Umfanges und hat. durchgehende parallel zur Achse verlaufende Öffnungen 20, die mit den öff- nungen 17 der Plansehen zusammenpassen.
Die Scheibe ist von einer Stellung, in welcher eine vollständige Verbindung zwischen den Austrittsöffnungen 14 und den Öffnungen 17 im Flansch 16 besteht, in eine Stellung, in welcher der Austritt völlig versperrt. ist, mit das Gehäuse drehbar. Die Öffnungen 17 im zweiten Flansch 16 sind auf der dem Kom- pressoreinlass zugewandten Seite desselben mit. Rohranschlüssen und daran angeschlos senen Rohren 22 versehen, die in eine Ring kammer 23 führen, die das Gehäuse des Kom pressors ausserhalb der Reihe der Stator- schaufel 6 umschliesst.
Das Statorgehäuse hat iioeh eine längs eines Umfanges verlaufende Reihe von Lufteinlassöffnungen 24, welche ungefähr in der Mitte zwischen den Ebenen des Einlasses und des Auslasses der Rotor schaufelreihe 5 auf der Innenseite des Stator- gehäuses ausmündet. Diese Einlassöffnungen verlaufen geneigt nach aussen und nach hinten durch das Gehäuse und jede von ihnen kommuniziert mit der Ringkammer 23.
Die Anzahl der Einlassöffnungen 24 ist von der selben Grössenordnung wie die Anzahl der Rotorschaufeln 5, welehe im wesentlichen gleich der Anzahl der Statorsehaufeln 6 ist. Die Anzahl der Öffnungen ist, als ausrei- ehend zu betrachten, solange sie einen wesent lichen Teil der Anzahl der Schaufeln 5 dar stellt. Die Anzahl der Ausla.ssöffnungen 14 muss nicht so gross sein wie die Anzahl der Einlassöffnungen 24.
Die Einlassöffnungen 24 sind in gleichmässigen Abständen auf den Umfang des Statorgehäuses 2 verteilt, und ihre Neigung ist derart, die aus den Öffnun gen austretende Luft die axiale Geschwindig keit des Stromes, welcher die Sta.torflügel 4 verlässt, in den Masse überwindet, dass die Spitzen der Rotorflügel 5 gegenüber dem er wähnten zu komprimierenden Fluidum abge schirmt werden.
Gleichzeitig wird die abge zapfte Luft mit. einer derartigen radialen Bewegungskomponente eingeführt, dass eine bedeutende Länge jeder der Rotorschaufeln 5 von der Spitze nach innen gegenüber dem zu komprimierenden Fluidum abgeschirmt wird. Daraus folgt, dass die wirksame Länge der Rotorschaufeln 5 entsprechend herab gesetzt wird und mit ihr der wirksame Quer schnitt für den den zweiten Statorkranz ver lassenden Strom des zu komprimierenden Fluidums, wobei die axiale Geschwindigkeits- komponente des zu komprimierenden Flui dums zunimmt.
Gleichzeitig nimmt der Flui- dumstrom lln Kompressor z,%-isehen den Reihen der Rotorschaufeln 5 und 9 im Ver gleich zu den andern Schaufelreihen um den Betrag des abgezapften Fluidums zu, was wieder im Sinne einer Zunahme der axialen Geschwindigkeitskomponente des zu kompri mierenden Fluidums liegt.
Die Scheibe 19 ist an ihrem äussern Um fang mit einem Zahnradsegment 25 versehen, in welches eine am Statorgehäuse drehbar ge- lagerte Schnecke 26 eingreift. Die Schnecke hat eine fest mit ihr verbundene Achse 27, an welcher eine Kurbel 28 angebracht ist, welche einen Schlitz 28a. aufweist. Der im Schlitz 28a geführte Kurbelzapfen 29 ist mit einer etwa rechtwinklig zur Kurbel stehenden Kolbenstange 30 verbunden, welche einen Kolben 31 trägt, der in einem am Stator- gehäuse befestigten Zylinder 32 arbeitet.
Eine um die Kolbenstange gelegte Druck feder 33 drückt gegen einen Kragen 34 an der Kolbenstange und gegen den Zylinder 32, so dass die Kolbenstange so in einer Rich tung gedrückt wird, dass der Kragen an dem Anschlag 35 des Statorgehäuses anliegt, wo bei die Öffnungen 20 in der Scheibe 19 ganz mit den Öffnungen 17 in den benachbarten Flanschen zur Deckung kommen. Der Kol ben ist so angeordnet, dass er bei Druck im Zylinder entgegen der Wirkung der Druck feder verschoben wird.
Der Zylinder hat eine Verbindung 36 mit- der Fluidumpumpe 37, die von der Kompres- sorwelle angetrieben wird, um Fluidum mit einem Druck zu liefern, der mit. der Touren zahl des Kompressors zunimmt. Wenn die Tourenzahl des Kompressors zunimmt, wird die Scheibe so gedreht, da-ss der abgezapfte Strom zunehmend unterdrückt wird.
Die An ordnung ist so, da.ss der abgezapfte Strom ab gesperrt ist, wenn die Tourenzahl des Kom- pressors einen Wert erreicht, der einer Be- lastung von 60 bis 70% der Nennlast des Kompressors entspricht.
In einer andern Ausführungsform kann der abgezapfte Strom in mehr als eine Kom- pressorstufe eingeführt sein, beispielsweise von einer einfachen Ringkammer vorzugs weise in zwei Stufen nahe den Spitzen der Rotorschaufeln.
In der weiteren Ausführungsform nach Fig. 5, welche auf einen Luftkompressor mit. axialer Strömung und mit ähnlichen Schau feln wie derjenige von Fig. 1 angewandt ist, besteht das Statorgehäuse des Kompressors aus zwei Zylinderwänden 38, 39 aus Blech, die durch Zwischenwände 40, welche von den Rotorsehaufeln nach aussen gerichtet, in ra- dialein Abstand voneinander angeordnet siticl. Die Statorsehaufeln haben Verlängerungen 41 ihrer Wurzeln,
die durch die innere Wand hindurchgehen und mit einer Zwisehenwand .12 verbunden sind, die sich parallel zur Aehsenriehtung zwischen den Zwisehenwän- den 40 erstreckt.
Einlass- und Auslassöffnun- gen für den abgezapften Strom sind in bezug auf die Sehaufelwurzeln in denselben axialen Ebenen wie in Fig. 2 angeordnet, aber der Einla.ss für die abgezapfte Luft ist. ein Um fangsschlitz 43, der durch axial voneinander abstehende Teile der innern C1ehäusewand 38 gebildet wird.
Die benachbarten Kanten der innern Wandteile haben Umfangsflansehen 44, 45, die nach aussen und sehräg zur Wand gerichtet sind, um die abgezapfte Luft mit einer stromaufwärts gerieliteten Bewegungs komponente zu leiten.
Der Auslass für die ab gezapfte Luft besteht. aus auf den Umfang verteilten Öffnungen in der Innenwand des Statorgehäuses, Die Verbindung zwischen dem Auslass 14 und dein Einlass@43 für die abgezapfte Luft wird durch den Hohlraum zwischen den Wänden hergestellt, wozu die dazwischenliegenden Wände bei 46 durch löchert sind.
In dem durch den Hohlraum zwischen den Wänden gebil.cleten Weg für die abgezapfte Luft. ist ein sieh längs eines Umfanges erstreckender Gummischlaueli 47 enthalten, der zunächst flachen Querschnitt hat und so aufgeblasen -erden kann, dass er die den Weg begrenzenden Wände mit einander verbindet und dadurch den abge zapften Strom unterbindet. Diese Unterbin dung wird fortschreitend herabgesetzt, wenn der Schlauch zusammenfällt. Der Schlauch hat eine Verbindung 48, welche durch die äussere G.ehäusewandun- 39 hindurchgeht; eine Leitung 49 erstreekt sieh von der Ver bindung 48 zu einem Anschluss 50 am Ge häuse.
Dieser kommuniziert. durch eine Öff nung 51 mit dem Schaufelkanal des Kom- pressors ausserhalb der letzten Reihe von Rotorschaufeln 13. Dadurch wird der innere Druck im Gunimischlaueh 47 fortschreitend grösser als der Drueli: der Umgebung, wenn die Di-tieksteigerung im Kompressor, das heisst die Kompressorbelastung zunimmt.
Der abgezapfte Luftstrom ist daher beim Starten des Kompressors ungehindert und die Anord nung ist so, dass eine vollständige Unterbin dung entsteht, wenn der Kompressor mit. 60 bis 701/o der Vollast, arbeitet.