CH704212A1 - Axialkompressor. - Google Patents

Abstract

Der Axialkompressor besitzt eine zweistufige Leitschaufelkaskade (10, 11) am ausgangsseitigen Ende des Rotors. Die Leitschaufeln (11) der zweiten Stufe der Kaskade sind in Umfangsrichtung gegenüber den Leitschaufeln (10) der ersten Stufe derart versetzt, dass von den Leitschaufeln der ersten Stufe verursachte Wirbelfahnen (13) nicht die Leitschaufeln der zweiten Stufe beaufschlagen können.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialkompressor gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Stand der Technik

[0002] Axialkompressoren sind allgemein bekannt. Dabei handelt es sich um Strömungsmaschinen mit einem innerhalb eines axial durchströmbaren Gehäuses angeordneten Rotor, der regelmässig mehrere Laufschaufelstufen aufweist, d.h. rotorseitige Laufschaufelreihen mit in Umfangsrichtung benachbarten Laufschaufeln für die Kompressorarbeit. Zwischen axial benachbarten Laufschaufelreihen sind jeweils stationäre gehäuseseitige Leitschaufelreihen vorgesehen, um das zu komprimierende Fluid auf seinem Weg zur axial nachfolgenden Laufschaufelstufe in eine dafür optimale Anströmrichtung umzulenken. Auch hinter der Laufschaufelendstufe des Rotors ist eine stationäre Leitschaufelanordnung oder -kaskade vorgesehen, um die vom Rotor bewirkte Drallströmung des Fluides in eine im Wesentlichen axiale Strömung zu überführen. Auf diese Weise lassen sich hohe axiale Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, so dass die damit einhergehende kinetische Energie des Strömungsmediums in potentielle Energie (Druck) überführt werden kann.

[0003] Neben einstufigen Leitschaufelkaskaden mit sog. Super-Leitschaufeln sind mehrstufige Leitschaufelkaskaden bekannt, bei denen mehrere Leitschaufelreihen, die jeweils aus in Umfangsrichtung des Gehäuses benachbarten Leitschaufeln bestehen, axial hintereinander angeordnet sind.

[0004] Ein Vorteil einer solchen Anordnung ist darin zu sehen, dass die Leitschaufeln vergleichsweise einfach herstellbare Profile aufweisen können und sich hinsichtlich ihrer Aerodynamik leichter optimieren lassen.

Darstellung der Erfindung

[0005] Hier setzt die Erfindung an.

[0006] Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass auch aerodynamisch optimierte Profile einer mehrstufigen Leitschaufelkaskade hinter der Laufschaufelendstufe des Rotors regelmässig nur zu einem suboptimalen Ergebnis führen, insbesondere treten im Strömungsmedium geräuschstarke Druckschwingungen auf.

[0007] Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Axialkompressor mit optimaler mehrstufiger Leitschaufelkaskade zu schaffen.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass alle Leitschaufeln der Leitschaufelkaskade von ihren in Gehäuseumfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln mit gleichem Bogenmass beabstandet sind, und dass die jeweils axial nachfolgende Laufschaufelstufe gegenüber der vorangehenden Laufschaufelstufe in Umfangsrichtung versetzt angeordnet ist, derart, dass von den Leitschaufeln der vorangehenden Stufe verursachte Wirbelfahnen jeweils zwischen benachbarten Leitschaufeln der nachfolgenden Leitschaufelstufe hindurchströmen.

[0009] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei axial hintereinander angeordneten Leitschaufelstufen eine möglichst wirbelfreie Anströmung bei den stromab gelegenen Leitschaufeln zu gewährleisten.

[0010] Um die gewünschte wirbelfreie Anströmung der in Stromrichtung nachfolgenden Leitschaufeln zu erreichen, wird mit der Erfindung die bisherige Bauform mehrstufiger Leitschaufelkaskaden verlassen. Bisher waren bei hintereinander angeordneten Leitschaufelstufen unterschiedliche Abstände zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln vorgesehen, d.h. zwischen den Leitschaufeln einer in Strömungsrichtung nachfolgenden Leitschaufelstufe lagen in Umfangsrichtung grössere Bogenabstände vor als zwischen den Leitschaufeln der in Strömungsrichtung jeweils vorangehenden Leitschaufelstufe. Damit war es prinzipiell unmöglich, die Wirbelfahnen der Leitschaufeln der vorangehenden Leitschaufelstufe in reproduzierbarer Weise von den Anströmkanten der Leitschaufeln der nachfolgenden Leitschaufelstufe fernzuhalten.

[0011] Bei der Erfindung ist dies leicht möglich, weil zwischen den Leitschaufeln der vorangehenden Leitschaufelstufe und den Leitschaufeln der nachfolgenden Leitschaufelstufe gleiche Bogenabstände in Umfangsrichtung vorliegen, so dass die nachfolgende Leitschaufelstufe gegenüber der vorangehenden Leitschaufelstufe lediglich um ein vorgegebenes Bogenmass versetzt angeordnet werden muss, um eine relativ wirbelfreie Anströmung der Leitschaufeln der nachfolgenden Stufe zu bewirken.

[0012] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wirbelfahnen von der konvex gewölbten Seite der einen benachbarten Leitschaufel der nachfolgenden Leitschaufelstufe einen geringeren Abstand als von der konkav gewölbten Seite der anderen benachbarten Leitschaufel haben.

[0013] Damit gelangen die Wirbelfahnen in die vergleichsweise schnelle Umströmung der konvex gewölbten Leitschaufelseite, so dass die Wirbel vergleichsweise wirkungsvoll «geglättet» werden.

[0014] Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Masse der beiden Abstände sich grössenordnungsmässig etwa wie 1:2 bis 1:1 verhalten.

[0015] In konstruktiv bevorzugter Weise kann erfindungsgemäss vorgesehen sein, das Gehäuse des Axialkompressors in grundsätzlich bekannter Weise aus in Umfangsrichtung aneinander anschliessenden Schalenteilen zusammenzusetzen und zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln der Leitschaufelkaskade jeweils ein den Umfangsabstand der benachbarten Leitschaufeln vorgebendes Innenwandsegment anzuordnen. In diesem Zusammenhang ist vorteilhaft vorgesehen, an einer Trennebene zwischen benachbarten Schalenteilen des Gehäuses ein geteiltes Innenwandsegment anzuordnen, und zwar derart, dass die Trennebene zwischen den Segmentteilen mit der Trennebene zwischen den Schalenteilen des Gehäuses zusammenfällt. Wenn nun die Segmentteile der hintereinander angeordneten Leitschaufelstufen der Kaskade entsprechend dem zwischen diesen Stufen versehenen Versatz der Leitschaufeln in Umfangsrichtung bemessen sind, sind die Leitschaufeln der Leitschaufelkaskade ohne weitere Massnahmen entsprechend der Erfindung angeordnet, wenn die Trennebenen der Schalen- und Segmentteile zusammenfallen.

[0016] Im Übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird.

[0017] Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalkombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] In der Zeichnung zeigt <tb>Fig. 1<sep>einen schematisierten Axialschnitt eines herkömmlichen Axialkompressors mit einer ausgangsseitigen Leitschaufelkaskade, die aus sog. Super-Leitschaufeln besteht, <tb>Fig. 2<sep>einen schematisierten Axialschnitt eines Axialkompressors mit ausgangsseitig des Rotors angeordneter zweistufiger Leitschaufelkaskade, <tb>Fig. 3<sep>ein ausschnittsweises Schnittbild einer herkömmlichen zweistufigen Leitschaufelkaskade, wobei alle Schaufelprofile relativ zu einer abgerollten Innenwandung des Kompressorgehäuses dargestellt sind, <tb>Fig. 4<sep>eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer erfindungsgemässen Leitschaufelkaskade, <tb>Fig. 5<sep>eine Draufsicht auf einen abgewickelten Innenwandabschnitt des Kompressorgehäuses im Bereich der ausgangsseitigen Leitschaufelkaskade.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung

[0019] In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Axialkompressor dargestellt. Dieser besitzt in bekannterweise ein Gehäuse 1 mit einer zu einer Rotorachse 2 im Wesentlichen rotationssymmetrischen Innenwand 3. Das Gehäuse 1 umschliesst einen Rotor 4, der axial zwischen einem Eingang 5 für ein zu komprimierendes Strömungsmedium und einem Ausgang 5 ́, der in der Regel zu einem Brennraum führt, angeordnet ist.

[0020] Am Rotor 4 sind in bekannter Weise rotorfeste Laufschaufeln 6 angeordnet, und zwar jeweils in in Umfangsrichtung des Rotors erstreckten Laufschaufelreihen bzw. Laufschaufelstufen. Zwischen axial benachbarten Laufschaufelstufen sind jeweils gehäusefeste Leitschaufeln 7 angeordnet, und zwar jeweils in in Umfangsrichtung der Gehäuseinnenwand 3 erstreckten Leitschaufelreihen oder -stufen.

[0021] Axial hinter der Laufschaufelendstufe des Rotors 4 ist eine einstufige Leitschaufelanordnung oder -kaskade 8 vorgesehen, die aus sog. Super-Leitschaufeln 9 besteht. Diese Super-Leitschaufeln besitzen ein ausgeprägt gewölbtes Profil und sind derart angeordnet, dass sie den ausgangsseitig des Rotors 1 starken Drall des Strömungsmediums beseitigen und eine weitgehend axiale Strömung des Mediums erzeugen.

[0022] Der in Fig. 2 dargestellte Axialkompressor unterscheidet sich von dem Axialkompressor der Fig. 1 im Wesentlichen nur darin, dass die Leitschaufelkaskade 8 zweistufig mit «normalen» Leitschaufeln 10 und 11 aufgebaut ist, die ein vergleichsweise wenig gewölbtes Profil aufweisen.

[0023] Die in Fig. 2 dargestellte Bauweise eines Axialkompressors ist grundsätzlich bekannt und wird auch bei der Erfindung vorgesehen.

[0024] Die Fig. 3 und 4 zeigen die Unterschiede der Erfindung gegenüber bisherigen Konstruktionen. In Fig. 3 sind die relativen Positionen der Leitschaufeln 10 und 11 einer zweistufigen herkömmlichen Leitschaufelkaskade dargestellt. Insbesondere wird ersichtlich, dass die Anströmkanten der in Strömungsrichtung vorderen Leitschaufeln 10 der vorderen Leitschaufelstufe in Umfangsrichtung einen Abstand U1 aufweisen, während die Leitschaufeln 11 der nachfolgenden Leitschaufelstufe in dieser Richtung einen davon abweichenden Abstand U2haben. Dies führt zwangsläufig dazu, dass von den vorderen Leitschaufeln 10 erzeugte Wirbelfahnen 13 zumindest teilweise direkt auf die Anströmkante einer Leitschaufel 11 der nachfolgenden Leitschaufelstufe treffen. Dadurch wird aber der Wirkungsgrad der Leitschaufelkaskade und dementsprechend auch der Wirkungsgrad des Axialkompressors beeinträchtigt.

[0025] Bei der Erfindung dagegen haben gemäss Fig. 4 die Abstände U1 und U2gleiche Masse, so dass durch entsprechenden Versatz der Leitschaufeln 11 der nachfolgenden Leitschaufelstufe in Umfangsrichtung gewährleistet werden kann, dass die Wirbelfahnen 13 jeweils zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln 11 hindurch gehen. Vorzugsweise ist die Anordnung der Leitschaufeln 10 und 11 so ausgebildet, dass die Wirbelfahnen 13 mit vergleichsweise grösserer Nähe an den konvex gewölbten Seiten der in der Zeichnung jeweils unteren Leitschaufeln 11 vorbeigeführt werden. Dabei verhalten sich die Abstände U ́2 und U ́ ́2 wie U ́2:U ́ ́2= 1:2.

[0026] Im Ergebnis wird damit erreicht, dass die Wirbelfahnen 13 in die vergleichsweise schnelle Umströmung der konvexen Leitschaufelseiten gelangen.

[0027] Um bei der Montage des Axialkompressors den gewünschten Versatz in Umfangsrichtung zwischen der von den Leitschaufeln 10 gebildeten Leitschaufelstufe und der von den Leitschaufeln 11 gebildeten Leitschaufelstufe zu erreichen, ist bevorzugt eine Konstruktion gemäss Fig. 5vorgesehen.

[0028] In grundsätzlich bekannter Weise ist das Kompressorgehäuse aus Schalenteilen zusammengesetzt, die beispielsweise an einer Trennebene 14 aneinander gesetzt sind. Auf der Innenseite dieser Schalenteile werden die Leitschaufeln 10 und 11 in herkömmlicher Weise montiert, indem beispielsweise die Füsse 15 und 16 der Leitschaufeln 10 und 11 mit an ihnen angeformten Ankern in Umfangsrichtung in einen in der Innenseite des jeweiligen Schalenteiles ausgebildeten Kanal eingeschoben werden. Zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Füssen 15 bzw. 16 wird jeweils ein Innenwandsegment 17 bzw. 18 angeordnet, welches so bemessen ist, dass zwischen den Anströmkanten der Leitschaufeln 10 und 11 die aus Fig. 4ersichtlichen Bogenmasse U1 und U2, die gleiche Masse aufweisen, vorliegen. Im Bereich der Trennebene 14 sind jeweils segmentierte Wandsegmente mit den Segmentteilen 17 ́ und 17 ́ ́ bzw. 18 ́ und 18 ́ ́ vorgesehen, wobei die jeweiligen Segmentteile 17 ́ und 17 ́ ́ bzw. 18 ́ und 18 ́ ́ so positioniert werden, dass ihre Trennebene mit der Trennebene 14 der Gehäuseschalenteile zusammenfällt. Bei entsprechender Bemessung der Segmentteile 17 ́ und 18 ́ sowie 17 ́ ́ und 18 ́ ́ wird auf diese Weise der gewünschte Versatz in Umfangsrichtung zwischen den Leitschaufeln 10 und 11 sichergestellt.

[0029] In den Fig. 1 bis 5 sind auch jeweils eine oder mehrere der rotorseitigen Laufschaufeln 6 der letzten Laufschaufelstufe schematisiert im Profil dargestellt, wobei R die Rotationsrichtung des Rotors 4 bezeichnet.

Bezugszeichenliste

[0030] <tb>1<sep>Gehäuse <tb>2<sep>Rotorachse <tb>3<sep>Innenwand <tb>4<sep>Rotor <tb>5<sep>Eingang <tb>5 ́<sep>Ausgang <tb>6<sep>Laufschaufeln <tb>7<sep>Leitschaufeln <tb>8<sep>Leitschaufelkaskade <tb>9<sep>Super-Leitschaufeln <tb>10<sep>Leitschaufeln <tb>11<sep>Leitschaufeln <tb>13<sep>Wirbelfahnen <tb>14<sep>Trennebene <tb>15<sep>Fuss <tb>16<sep>Fuss <tb>17<sep>Wandsegment <tb>17 ́<sep>Segmentteil <tb>17 ́ ́<sep>Segmentteil <tb>18<sep>Wandsegment <tb>18 ́<sep>Segmentteil <tb>18 ́ ́<sep>Segmentteil <tb>R<sep>Rotationsrichtung <tb>U1, U2, U ́2, U ́ ́2<sep>Abstände

Claims (4)

1. Axialkompressor mit einem in einem Gehäuse (1) rotierbar angeordneten, mehrere Laufschaufelstufen aufweisenden Rotor (4) und mit einer im Gehäuse (1) ausgangsseitig einer Laufschaufelendstufe des Rotors (4) stationär angeordneten mehrstufigen Leitschaufelkaskade (8), dadurch gekennzeichnet, dass alle Leitschaufeln (10, 11) der Leitschaufelkaskade von ihren in Gehäuseumfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln mit gleichem Bogenmass beabstandet sind und dass die jeweils axial nachfolgende Leitschaufelstufe gegenüber der vorangehenden Leitschaufelstufe in Umfangsrichtung versetzt angeordnet ist, derart, dass von den Leitschaufeln (10) der vorangehenden Stufe verursachte Wirbelfahnen (13) jeweils zwischen benachbarten Leitschaufeln (11) der nachfolgenden Leitschaufelstufe hindurchströmen.

2. Axialkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelfahnen (13) von der konvex gewölbten Seite der einen benachbarten Leitschaufel (11) einen geringeren Abstand als von der konkav gewölbten Seite der anderen benachbarten Leitschaufel (11) haben.

3. Axialkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Abstände (U ́2, U ́ ́2) grössenmässig wie etwa 1:1 > U ́2:U ́ ́2> 1:2 verhalten.

4. Axialkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus in Umfangsrichtung aneinander anschliessenden Schalenteilen zusammengesetzt und zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leitschaufeln (10, 11) der Kaskade jeweils ein den Abstand der Leitschaufeln (10, 11) in Umfangsrichtung vorgebendes Innenwandsegment (17, 18) angeordnet ist, wobei an einer Trennebene (14) zwischen benachbarten Schalenteilen des Gehäuses ein geteiltes Innenwandsegment (17 ́, 17 ́ ́;18 ́, 18 ́ ́) vorgesehen ist, dessen Trennebene zwischen den Segmentteilen mit der Trennebene (14) zwischen den Schalenteilen des Gehäuses (1) zusammenfällt, wobei die Segmentteile (17 ́, 17 ́ ́, 18 ́, 18 ́ ́) der axial hintereinander angeordneten Leitschaufelstufen (10, 11) so bemessen sind, dass die beiden Leitschaufelstufen (10, 11) einen vorgegebenen Versatz in Umfangsrichtung aufweisen.