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Mehrstufiger Axialverdichter mit abschaltbaren Stufen Die Erfindung
betrifft mehrstufige Axialverdichter, wie sie z. B. bei Gasturbinenanlagen zum Verdichten
des Arbeitsmediums verwendet werden.
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Es sind bereits mehrstufige Axialverdichter bekannt, bei denen der
Teil des Läufers, der die Schaufeln der vorderen Stufen trägt, unabhängig von dem
angetriebenen, die Schaufeln der hinteren Stufen tragenden Teil des Läufers umlaufen
kann, wobei eine ausrückbare Kupplung zum Verbinden der beiden Läuferteile vorgesehen
ist.
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Eine solche Anordnung ist geeignet, das Anlassen und Beschleunigen
zu erleichtern. Bekanntlich besitzt der Läufer eines Verdichters eine große Massenträgheit
und muß daher auf eine ziemlich hohe Drehzahl beschleunigt werden, bevor die Anlage
mit eigener Kraft weiterläuft, d. h. bevor die Turbine eine Leistung abgibt, die
ausreicht, um den Verdichter ohne äußere Hilfe anzutreiben. Der Anlaßmotor muß daher
eine große Energiemenge auf den Läufer übertragen. Man kann nun durch Ausrücken
der Kupplung zum Zwecke des Anlassens die Massenträgheit des Läufers insofern herabsetzen,
als der Anlaßmotor nur den Teil des Läufers zu beschleunigen braucht, der die Schaufeln
der hinteren Stufen trägt. Wenn die Anlage begonnen hat, mit eigener Kraft weiterzulaufen,
oder wenn die Turbine eine Leistung abgibt, die es ermöglicht, die Belastung des
Anlaßmotors herabzusetzen, kann man die Kupplung einrücken, so daß der die Schaufeln
der vorderen Stufen tragende Teil des Läufers bis auf die Drehzahl des zwangläufig
angetriebenen Teils beschleunigt wird und die beiden Teile dann als Ganzes zusammen
umlaufen. Danach. arbeitet der Verdichter in der gleichen Weise wie ein Axialverdichter
ohne Ausrückkupplung.
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Eine solche ausrückbare Kupplung im Verdichter hat auch Vorteile,
wenn die Turbine od. dgl. mit Teillast arbeitet.
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Bekanntlich ist es bei einer Gasturbinenanlage erwünscht, daß die
Druck-Massendurchsatz-Charakteristik des Verdichters über den ganzen Massendurchsatzbereich
derjenigen der Turbine entspricht. Leider besitzen jedoch Axialverdichter und Turbinen
normalerweise solche Charakteristiken, daß Verdichter und Turbine dann, wenn sie
einander für normalen Vollastbetrieb richtig angepaßt sind, keine richtige Anpassung
bei Teillast zeigen, was zur Folge hat, daß die Arbeitsweise des Verdichters unstabil
werden kann. Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeiten zu verringern, besteht darin,
daß man den Verdichter mit verstellbaren Leitschaufeln ausrüstet, um die Verdichtercharakteristik
zu verändern. Es kann jedoch vorkommen, daß solche Schaufeln bei mittleren oder
kleinen Massendurchsätzen nicht ausreichend wirksam sind, so daß der Betrieb bei
mittlerer oder niedriger Last leicht unstabil wird.
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Bei Verdichtern mit ausrückbarer Kupplung kann man in diesen Fällen
die vorderen Stufen bei mittleren oder niedrigen Belastungen wirkungslos machen,
so daß der Verdichter praktisch in einen Verdichter mit geringerer Stufenzahl verwandelt
wird, der im mittleren und unteren Bereich des Massendurchsatzes eine bessere Pumpcharakteristik
aufweist. Wenn der Massendurchsatz auf einen geeigneten Wert angestiegen ist, kann
man die ersten Stufen durch Einrücken der Kupplung in Betrieb setzen, so daß die
beiden Rotorteile des Verdichters gemeinsam als eine Einheit umlaufen.
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Neben diesen Vorteilen hat die bekannte Anordnung einen wesentlichen
Nachteil. Bei mittlerer oder niedriger Last läuft nämlich bei ausgerückter Kupplung
der die vorderen Verdichterstufen tragende Teil des Rotors infolge des bekannten
Windmühleneffektes, d. h. durch Einwirkung der von dem angetriebenen Verdichterteil
angesaugten Luft, mit mehr oder weniger großer Geschwindigkeit um. Insbesondere
dann, wenn die Turbine unter Teillast laufen muß, ist ein solcher Windmühleneffekt
sehr unerwünscht, da er labile Verhältnisse schafft, die sich bei der Berechnung
der Verdichtereharakteristik
nicht erfassen lassen, da nicht vorhersehbar
ist, mit welcher Geschwindigkeit der ausgekuppelte Rotorteil umlaufen wird und wie
groß der dabei auftretende Widerstand für die den Verdichter durchströmende Luft
anzusetzen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile bei einem aus zwei voneinander
getrennten, durch eine Kupplung zu verbindenden Rotorteilen bestehenden Verdichter
zu beseitigen und sicherzustellen, daß die Vorteile einer Anordnung dieser Art voll
zur Auswirkung kommen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine zweite ausrückbare
Kupplung zwischen einem feststehenden Teil und demjenigen Teil des Läufers, der
die Schaufeln der vorderen Stufen trägt, vorgesehen wird. Durch diese Anordnung
nach der Erfindung ist es möglich, den von dem angetriebenen Teil abgekuppelten
Rotorteil festzuhalten und damit die Unsicherheit, die durch das unterschiedliche
Verhalten dieses abgekuppelten und frei umlaufenden Rotorteils bei den bekannten
Anordnungen bedingt ist, zu beseitigen. Der Einfluß des festgehaltenen Rotorteils
auf die Verdichtercharakteristik bei Teillast läßt sich bei der Berechnung erfassen
und berücksichtigen. Wenn der Verdichter mit voller Last arbeiten soll, kann die
zweite Kupplung ausgerückt und die erste Kupplung, welche die beiden Rotorteile
miteinander verbindet, eingerückt werden, so daß der bisher festgehaltene Teil auf
die Geschwindigkeit des angetriebenen Rotorteils beschleunigt wird und dann gemeinsam
mit diesem umläuft. Wenn es wünschenswert erscheint, kann das Einrücken der ersten
Kupplung mit zeitlicher Verzögerung gegenüber dem Ausrücken der zweiten Kupplung
erfolgen, so daß der bisher festgehaltene Rotorteil zunächst durch den Windmühleneffekt
beschleunigt wird, ehe er mit dem angetriebenen Rotorteil verbunden wird. Die hierfür
erforderliche Übergangszeit ist nur kurz, so daß die während dieser Zeitspanne durch
den anlaufenden Rotorteil bedingten Unsicherheiten praktisch keine Rolle spielen.
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Vorzugsweise sind die beiden ausrückbaren Kupplungen zu einer baulichen
Einheit zusammengefaßt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Seitenansicht des
Axialverdichters, die die Anordnung im Inneren erkennen läßt; Fig. 2 zeigt in größerem
Maßstab einen Teil der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung; Fig.3 zeigt eine andere
Einrichtung, die an die Stelle der in Fig. 2 gezeigten treten kann; Fig. 4 gibt
eine Kurvenschar wieder, aus der die Leistung des Verdichters hervorgeht.
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Der in Fig. 1 gezeigte Axialverdichter hat die Aufgabe, einer nicht
dargestellten Turbine über eine ebenfalls nicht gezeichnete Brennkammer verdichtete
Luft zuzuführen. Der Verdichter besitzt ein zylindrisches Gehäuse 10, das mehrere
Kränze von feststehenden Leitschaufeln 11 und zwei Kränze von im Winkel verstellbaren
Leitschaufeln 12 und 13 trägt. Längs der Mittellinie des Verdichters erstreckt sich
eine Welle 14, auf der mehrere Laufschaufelkränze 15 befestigt sind, die die hinteren
Stufen des Verdichters bilden. Auf der Welle 14 ist frei drehbar eine Buchse 16
gelagert, auf der mehrere Laufschaufelkränze 17 angebracht sind, die die vorderen
Stufen des Verdichters bilden. Mittels einer ausrückbaren Kupplung 18 kann man die
Buchse 16 mit der Welle 14 kuppeln. Alternativ hierzu kann man die Buchse 16 mittels
einer weiteren ausrückbaren Kupplung 19 mit einem feststehenden Teil des Verdichters
verbinden. Weitere Einzelheiten der Kupplungen 18 und 19 gehen- aus Fig. 2 hervor.
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Im folgenden wird zunächst die Kupplung 18 beschrieben. Sie umfaßt
zwei konische Scheiben 20 und 21, die durch eine Keilverzahnung mit der Welle verbunden
sind und durch die Federn 22 und 23 gegeneinandergedrückt werden. In der Nähe des
Umfangs der konischen Scheiben 20 und 21 sind Abdichtungskränze 24 bzw. 25 vorgesehen,
die übereinandergleiten können. Am Ende der Buchse 16 ist ein ringförmiger Bauteil
26 von trogförmigem Querschnitt angebracht. Die Neigung der seitlichen Innenflächen
dieses Bauteils ist die gleiche wie die Neigung der konischen Flächen der Scheiben
20 und 21. In den Raum zwischen den Scheiben 20 und 21, der an seinem äußeren Umfang
durch die Abdichtungskränze 24 und 25 begrenzt wird, kann aus der hohl ausgeführten
Welle 14 durch einen Kanal 27 ein unter Druck stehendes strömungsfähiges Mittel,
z. B. öl oder Luft, eingeleitet werden. Bei automatischem Betrieb kann der Druck
des strömungsfähigen Mittels eine Funktion der Drehzahl sein, wobei z. B. Luft verwendet
werden kann, deren Druck dem Förderdruck des Verdichters entspricht, oder Drucköl,
das von einer Zentrifugalpumpe geliefert wird. Wenn ein unter Druck stehendes Strömungsmittel
in der beschriebenen Weise eingeleitet wird, werden die konischen Scheiben 20 und
21 entgegen der Wirkung der Federn 22 und 23 auseinanderbewegt, so daß ihre konischen
Flächen an den Innenwänden des ringförmigen Bauteils 26 angreifen und hierdurch
die Buchse 16 kraftschlüssig mit der Welle 14 verbinden. Wenn dagegen der Druck
zu wirken aufhört, heben die Federn 22 und 23 die Berührung zwischen den konischen
Scheiben 20 und 21 einerseits und dem trogförmigen Bauteil 26 andererseits
auf, so daß die Buchse 16 die Drehbewegung der Welle 14 nicht mehr mitmacht.
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Bei der Kupplung 19 ist mit der Welle bzw. Buchse 16 eine Trommel
28 verkeilt. Innerhalb der Trommel 28 sind auf feststehenden Bolzen 29 bogenförmig
gekrümmte Bremsbacken 30 angeordnet, die mittels einer nicht dargestellten Spreizvorrichtung
nach außen gedrückt werden können, um an der Trommel 28 anzugreifen und hierdurch
die Trommel und mit ihr auch die Buchse 16 festzuhalten.
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Bei der Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 werden die ausrückbaren Kupplungen
18 und 19 voneinander unabhängig durch geeignete Steuereinrichtungen betätigt, wobei
sich Art und Zeitpunkt der Betätigung nach den Betriebsbedingungen richten. Es ist
jedoch möglich, die in den Fig. 1 und 2 gezeigte ausrückbare Kupplung 18 durch eine
selbsttätige Kupplungsvorrichtung zu ersetzen, die dann, wenn die Drehzahl der Welle
14 auf einen bestimmten Wert angestiegen ist, in Tätigkeit tritt, um die Buchse
16 mit der Welle 14 zu verbinden. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 3 dargestellt.
Bei dieser Vorrichtung trägt die Buchse 16 an ihrem Ende einen ringförmigen Bauteil
31 von trogförmigem Querschnitt, der dem Bauteil 26 in Fig.2 ähnelt. Mit
der Welle 14 ist ein Armstern 32 verkeilt, der mehrere breite radiale Schlitze mit
parallelen Wänden aufweist. Die Wände 33 von zwei solchen Schlitzen sind in Fig.
3 angedeutet. In diesen Schlitzen befinden sich Gewichte 34, die nach innen auf
die Achse der Welle zu
und nach außen von der Achse der Welle weg
gleiten können. Diese Gewichte weisen geneigte Flanken 35 auf, deren Neigung die
gleiche ist wie die Neigung der Innenseiten des ringförmigen Bauteils 31 von trogförmigem
Querschnitt. Wenn die Welle 14 umläuft, werden die Gewichte 34 nach außen geschleudert
und greifen an den Wänden des Bauteils 31 an. Bei steigender Drehzahl der Welle
14 erhöht sich auch die durch die Gewichte ausgeübte Fliehkraft, bis die Reibungskraft,
mit der die Gewichte an dem Bauteil 31 angreifen, den Widerstand überwindet, den
die Buchse 16 einer Bewegung entgegensetzt, woraufhin diese Buchse umzulaufen beginnt.
Bei normalen Drehzahlen ist die durch die Gewichte 34 ausgeübte Fliehkraft so groß,
daß zwischen den Gewichten und den Innenwänden des Bauteils 31 kein Schlupf auftritt.
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Ferner umfaßt diese Vorrichtung eine ausrückbare Kupplung, die der
Kupplung 19 in Fig. 2 entspricht, jedoch etwas anders ausgeführt ist. In diesem
Falle ist die in Fig.2 gezeigte Trommel 28 durch einen Ring 36 ersetzt, der eine
konkave Reibfläche 37 besitzt, mit der er an der Außenfläche des ringförmigen Bauteils
31 angreifen kann. Normalerweise wird der Ring 36 durch eine Feder 38 in der ausgerückten
Stellung gehalten. Links von dem Ring 36 befindet sich ein ringförmiger Kurventeil
39 mit Rampenflächen 40. Mit diesen Rampenflächen wirken feststehende Vorsprünge
41 derart zusammen, daß sich die Rampenflächen 40 beim Verdrehen des Kurventeils
auf den Vorsprüngen 41 entlang bewegen. Hierdurch wird der Ring 36 in reibende Berührung
mit dem ringförmigen Bauteil 31 gebracht, so daß die Buchse 16 festgehalten wird.
Bei dieser Anordnung sind die beiden Kupplungen dadurch, daß der Bauteil 31 beiden
Kupplungen gemeinsam ist, in einer einzigen Vorrichtung zusammengefaßt.
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U m den Verdichter in Betrieb zu setzen, geht man wie folgt vor: Zunächst
hält man die Buchse 16 durch Einrücken der ausrückbaren Kupplung 18 fest, und zwar
entweder durch Spreizen der Backen 30 gegen die Trommel 28 gemäß Fig. 2 oder durch
Vorschieben des Rings 36 nach rechts bis zum Angreifen an dem Bauteil 31 gemäß Fig.
3. Dann bringt man die Welle 14 mit Hilfe eines Anlaßmotors auf die erforderliche
Drehzahl. Da der Anlaßmotor die Buchse 16 und die auf ihr angeordneten Schaufeln
17 nicht mitdreht, arbeitet der Motor mit geringerer Last als wenn er den ganzen
Läufer zu drehen hätte. Durch das Umlaufen der hinteren Schaufelkränze 15 wird eine
gewisse Menge an verdichteter Luft für die Turbine erzeugt, und bei einer bestimmten
Drehzahl übersteigt die durch die Turbine erzeugte und für das Antreiben des Verdichters
verfügbare Energie die für das Drehen der Welle 14 erforderliche Energie. Infolgedessen
setzt sich die Beschleunigung des Verdichters fort. Nunmehr kann man die ausrückbare
Kupplung ausrücken, so daß sich die Buchse 16 frei drehen kann. Die zwischen den
Schaufeln 17 hindurchströmende Luft beginnt die Buchse 16 zu drehen; mit anderen
Worten, die Buchse beginnt unter dem Einfluß der »Windmühlen«-Wirkung umzulaufen.
Sobald die Buchse schnell genug umläuft, kann man sie mit der Welle 14 kuppeln,
so daß beide Teile des Läufers als Ganzes zusammen umlaufen. Bei der Anordnung nach
Fig. 2 erfolgt dieses Einkuppeln dadurch, daß man ein unter Druck stehendes Mittel
in den Raum zwischen den konischen Scheiben 20 und 21 einleitet, so daß die Scheiben
an dem Bauteil 26 angreifen. Die Anordnung nach Fig. 3 ist dagegen so ausgeführt,
daß die Reibungskraft zwischen den Gewichten 34 und dem Bauteil 31 bei der richtigen
Drehzahl der Welle 14 den Widerstand der Buchse 16 überwindet. In beiden Fällen
kann der Reibungswiderstand dieser ausrückbaren Kupplung dazu herangezogen werden,
die »Windmühlen«-Wirkung beim Beschleunigen der Buchse 16 zu verstärken oder zu
ersetzen.
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Die Vorteile, die die Erfindung beim Betrieb mit Teillast bietet,
gehen aus Fig.4 hervor, in der das Druckverhältnis R über dem Massendurchsatz W
des Verdichters aufgetragen ist. Die Kurve T ist die Lastkurve der Turbine, d. h.
sie gibt den Luftdurchsatz an, den die Turbine bei verschiedenen Drücken und konstanter
Last benötigt. Die Kurve Cl zeigt die maximale Verdichterleistung, die man erhält,
wenn nur die hinteren Stufen arbeiten, während die Kurve C2 die maximale Verdichterleistung
angibt, die man beim Betrieb sämtlicher Stufen erzielt.
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Nimmt man an, daß der Verdichter nur mit seinen hinteren Stufen arbeitet,
also auf der Kurve Cl, so ergibt sich aus Fig. 4, daß der Verdichter die Turbine
auf dieser Linie ausreichend versorgen kann, daß jedoch bei hohen Drehzahlen das
dem erwünschten Mengendurchsatz entsprechende Druckverhältnis hoch ist und daß daher
für den Antrieb des Verdichters eine hohe Leistung erforderlich ist. Bei hohen Drehzahlen
kann man die Leistungsaufnahme erheblich herabsetzen, indem man die vorderen Verdichterstufen
hinzunimmt, so daß die Maschine auf der Kurve C2 arbeitet. Bei niedrigen Drehzahlen
verläuft jedoch die Kurve C2 unterhalb der Lastkurve T der Turbine, so daß die Förderleistung
des Verdichters bei diesen Drehzahlen nicht ausreicht. Es ist infolgedessen erwünscht,
z. B. bis zum Punkt x auf der Kurve Cl zu arbeiten und dann am Punkt y auf die Kurve
C2 überzugehen. Man erkennt, daß die beiden Punkte x und y
auf der
gleichen Drehzahllinie S liegen, da der Übergang bei einer bestimmten Drehzahl vorgenommen
wird. Um die Verdichtungsarbeit noch weiter herabzusetzen, könnte man den Verdichter
bis zu einer niedrigeren Drehzahl längs der Kurve Cl, z. B. bis zu dem Punkt z,
hochfahren. Dann könnte die Fördermenge von s bis y durch entsprechendes Verstellen
der Leitschaufeln 12 und 13 eingestellt werden.
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Wenn dagegen, wie bei den bekannten Anordnungen, der die vorderen
Stufen tragende Rotorteil bei Betrieb unter Teillast frei umlaufen kann, arbeitet
der Verdichter nicht genau auf der Kurve Cl, die die Charakteristik der Maschine
bei festgehaltener vorderer Stufe wiedergibt. Vielmehr würde der Verdichter an Punkten
arbeiten, die zwischen den Kurven Cl und C2 liegen und sich nicht genau berechnen
lassen und unter bestimmten Betriebsbedingungen auch zu nahe der Lastkurve T der
Turbine liegen können.