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Mehrstufiger Axialverdichter Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen
Axia.1-verdichter und befaßt sich mit Maßnahmen, um das betriebliche Verhalten dieser
Verdichter besonders im Teillastgebiet zu verbessern.
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Mit mehrstufigen Verd-ichtern axialer Bauart lassen sich bekanntlich
bei großen Arbeitsmitteldurchsätzen sehr gute Wirkungsgrade erreichen. Aus diesem
Grunde eignen: sie sich besonders gut für Gasturbinenanlagen, bei denen ein hoher
Verdichtungswirkungsgrad angestrebt wird, um einen befriedigenden Wirkungsgra,d,
des Gesamtprozesses zu erreichen. Sofern die Gasturbine, mit welcher der Verdichter
meist starr gekuppelt ist, mit im wesentlichen konstanter Dreh,-zahl umläuft, beispielsweise
im stationären Betrieb eines Kraftwerkes, ist es ohne weiteres möglich, den Verdichter
so auszulegen, daß er bei dieser Betriebsdrehzahl mit bestem Wirkungsgrad arbeitet.
Wird jedoch die Gasturbinenanlage mit starken Drehzahlschwankungen betrieben, wie
dies beispielsweise bei einer Antriebseinheit für Fahrzeuge der Fall ist, so kommt
der Verdichter im Teillastbetrieb sehr rasch in einen sehr ungünstigen Arbeitsbereich,
in dem die Strömung abreißt. Es tritt dann das sogenannte Pumpen ein, das unter
anderem auch für die Beschaufelung infolge der damit verbundenen Schwingungserregung
sehr gefährlich ist. Die Regelungsmöglichkeit einer solch-en Kraftanlage ist nur
in engen Grenzen möglich, weil der Punkt besten Verdichtungs-,virkungsgrades meist
nahe an der Pumpgrenze des Verdichters liegt. Der vorliegenden Erfindung liegt die
Aufgabe zugrunde, bei mehrstufigen Axialverdichtern die Gefahr instabilen Arbeitens
(Pumpens) wesentlich zu verringern und gegenüber bekannten Ausführungen eine größere
Abweichung von der Vollastdrehzahl, d. h. also ' einen breiteren Regelungsbereich
bei gutem Wirkungsgrad zu ermöglichen.
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Bekanntlich nimmt in einem mehrstufigen Verdicht-er das Volumen, des
Arbeitsmittels mit fo,rtschreitender Verdichtung von Stufe zu Stufe ab; man muß
also die hinteren Stufen für ein kleineres Fördervolumen auslegen. Dies geschieht
gewöhnlich durch eine Verringerung des Strömungskanalquerschnittes. Im Normalfalle
sind die Schaufeln der Lauf- und Leiträder so, profiliert, daß sich auf gleichen
Radien etwa gleiche Schaufelquerschnitte ergeben. Derartige Verdichterstufen bezeichnet
man als homogene Stufen. Bei diesen stimmen dann für normale Anströrnungsverhältnisse
auch die Geschwindigkeitsdreiecke an gleichen Radien überein. Ist die Beschaufelung
so, ausgelegt, daß die Axialkomponente der Strömungsgeschwindigkeit an allen Radien
gleich ist, so. muß der Durchflußquerschnitt des Strömungskanals von Stufe zu Stufe
proportional dem Volumen abnehmen, was z. B. durch stetige Vergrößerung des Schaufelfußdurchme,ssers
oder durch stetige Verkleinerung des Kopfdurchmessers der Schaufeln erreicht werden
kann.
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Man hat ferner festgestellt, daß in einem mehrstufigen Axialverdichter
besonders die erste und die letzte Verdichtungsstufe punipgefährdet sind, und zwar
die erste, Stufe dann, wenn die Drehzahl unterhalb einer Grenzdrehzahl liegt, und
die letzte Stufe, wenn die Drehzahl größer als die Grenzdrehzahl ist. Um die Abreißgrenze
hinauszuschieben, Wurde daher empfohlen, die Berechnungsdrehzahl höher als die Betriebsdrehzahl
anzusetzen. Dies hat aber zwangläufig eine Verschlechterung des Wirkungsgrades bei
niedrigeren Drehzahlen zur Folge.
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Die Erfindung geht aus von einem mehrstufigen Axialverdichter mit
homogen ausgelegten Leit- und Laufschaufelgitter. Die Pumpgefahr wird erfindungsgemäß
dadurch verringert, daß vor und hinter den homogen ausgelegten Stufen mindestens
je eine inho-mogene Stufe angeordnet ist, und zwar mit einem größeren Durchflußquerschnitt
und einem kleineren Einstellwinkel der Laufschaufel als bei entsprechender homogener
Auslegung dieser Stufen. Der Einstellwinkel, das ist der Winkel, den die Profilsehne
mit der Umfangsrichtung einschließt, wird in den vor-und naebgeschalteten Stufen
vorzugsweise kleiner als 200 gewählt. Mit der im Vergleich zur homogenen Auslegung
größeren Bemessung der vor- und nachgeschalteten Stufen ergibt sich. zwangläufig
auch eine geringere Durchflußgeschwindigkeit als in den dazwischenliegenden Stufen
und ein größerer Beschaufelungsquerschnfitt. Die Erfindung steht daher im Widerspruch
zu der bisher vorherrschenden Ansicht, die Schluckfähigkeit z. B. der ersten Verdichtungsstufe
durch. Wahl steilerer Schaufelwinkel zu verb ess e r n.
Es hat sich
als zweckmäßig erwiesen, in mindestens der letzten Verdichtungsstufe den Reaktionsgrad
unverändert beizubehalten. Der übergang von den Auslegungsverhältnissen der Vorstufe
zu den Normalstufen und von diesen wiederum auf die Nachstufen braucht nicht stetig
zu erfolgen, sondern es kann auch eine plötzliche Querschnittsänderung vorgenommen
werden.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines mehrstufigen Axialverdichters
nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt
durch den Axialverdichter, Fig. 2 eine Abwicklung des Schaufelgitters der ersten
Verdichterstufe, Fig. 3 eine Abwicklung des Schaufelgitters der homogen ausgelegten
Stufen, Fig. 4 eine Abwicklung des Schaufelgitters der letzten Stufe, Fig.
5 das Verdichterkennfeld.
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Der in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte mehrstufige Axialverdichter
besteht aus dem Läufer 1,
welcher in dem Verdichtergehäuse2 gelagert ist.
Die beiden Lagerstellen sind mit 3 und 4 bezeichnet. Außerdem sind noch die
beiden Labyrinthstopfbüchsen 5 und 6 schematisch angedeutet. Am Umfang
des Trommelläufers 1 ist die Beschaufelung angebracht. Die einzelnen Verdichterstufen,
bestehend aus Leit- und Laufrad, sind mit römischen Ziffern. I bis X bezeichnet.
Man erkennt die Vorstufe I, welche gemäß der Erfindung ausgebildet ist und die sich
aus Leitrad 7 und Laufrad 8 zusammensetzt. Daran schließen die Verdichtungsstufen
II bis IX normaler Bauart an. Zwischen der Stufe III und VI nimmt der Außendurchinesser
des Verdichtergehäuses stetig ab, während er in den Stufen VII bis IX etwa, gleich
groß bleibt. In dem Schnitthild erkennt man weiter die ."egenüber u der Normalausführung
unverhältnismäßig große Dimensionierung des Durchmessers D2 der Vorstufe
I. Der bei Verdichtern üblicher Bauart sich ergebende Strömungskanaldurchmesser
am Eintritt in das erste Leitrad ist mit Di bezeichnet. Der Übergang von dem vergrößerten
Ansaugdurchmesser D2 der ersten Stufe auf den normalen Durchmesser des Laufrades
etwa der Stufe II erfolgt plötzlich innerhalb des zweiten Leitrades. Infolge der
übermäßigen Vergrößerung des Kanalquerschnittes der Stufe I stellt sich in dieser
eine gegenüber den wesentlich geringere Durchflußgescbwindigkeit des Arbeitsmittels
ein. Dies bedingt eine wesentliche Verkleinerung des Anstellwinkels der Beschaufelung
des Laufrades 8.
Die gleiche, von den normalen Auslegungsverhältnissen abweichende
Gestaltun#g der, Laufschaufeln ist auch in der letzten Verdichterstufe (Stufe X,
bestehend aus Leitrad 9 und Laufrad 10) durchgeführt. Dem Laufrad
10 ist schließlich noch in bekannter Weise ein Nachleitrad 11 nachgeschaltet,
um ein achsparalleles Abströmen des verdichteten Arbeitsmittels zu ermöglichen.
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Die Fig. 2 bis 4 zeigen Ausschnitte von Schaufelabwicklungen der einzelnen
Stufengruppen. In Fig. 2 erkennt man den Leitapparat 7 und die Laufschaufeln
8
der Vorstufe I. Der Schaufelwinkel ß, von weniger als 20' ist wesentlich
kleiner gewählt, als es bei einer normalen Auslegung des Schaufelgitters allgemein
üblich ist. Damit in der Stufe I trotz der mit der Durchmesservergrößerung zusammenhängenden
höheren Umfangsgesch-windigkeit der äußeren Schaufelteile die relativeAliströmgesch-Nvindigkeit
des Arbeitsmittels an die Laufschattfeln nicht zu hoch wird und keine, zu starke
Annäherung an die Schallgeschwindigkeit eintritt, kann hier Gleichdrall vorgesehen
werden) d. h., der Reaktionsgrad ist in dieser Stufe kleiner als
1,
und die Leitschaufeln 7 sind vor dem Laufrad! 8 in Drehrichtung
umgelenkt. Nach Austritt aus dem Laufra,d 8 erfolgt eine Umlenkung des Arbeitsmittels
in dem Leitapparat 12 der anschließenden Verdichterstufe.
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Die von den normalen Auslegungsverhältnissen der Zwischenstufen III
bis VI des Verdichters abweichende Anstellung der Laufschaufeln erkennt man deutlich
bei einem Vergleich der Fig. 2 und 3. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt
der Abwicklung des Schatifelgitters einer Normalstufe. Der Anstellwinkel ß2 des
Lat;f-'#: rades 13 ist wesentlich größer als der Winkel ß, der Vorstufe I
(Fig. 2). In der Fig. 3 erkennt man weitez noch, das Leitrad 14, das dem
Laufrad 13 vorgeschaltet ist, sowie das Leitrad 15 der nächstfolgenden
Stufe. In den Verdichterstufen, welche die normalen Auslegungswerte der Fig.
3 aufweisen, das sind also die mittleren Stufen III bis VI mit der homogenen
Beschaufelung, ist der Reaktionsgrad etwa-s höher, um einen drallfreien Austritt
aus dem Leitrad zu erhalten. Fig. 4 zeigt schließlich das Schaufelgitter der Endstufe
des Verdichters (Stufe X), bestehend aus Leitrad 9 und Laufrad
10 mit nachgeschaltetem Leitapparat 11. Der Anstellwinkel ß" des Laufrades
10
stimmt wertmäßig mit dernjenigen. des Laufrades &
überein und
weicht demzufolge wiederum wesentlich vom normalen Auslegungswert (A) der Mittelstufen
III bis VI ab.
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Die Beschaufelung des ganzen Verdichters setzt sich also folgendermaßen
zusammen: Das Leitrad 7 der Vorstufe I ist so# ausgelegt, daß ein sogenannter
Gleichdrall des Arbeitsmittels erzeugt wird. Wegen dieses Gleichdralles ist der
Eintrittswinkel des Leitapparates der anschließenden Verdichterstufe II etwas kleiner
als der Normalwert gewählt, welcher den Leitschaufeln der übrigen Stufen
III bis X zugrunde gelegt ist. Das Nachleitrad ist so dimensioniert, daß ein achsparalleles
Abströmen des Arbeitsmittels nach der' letzten Stufe erzwungen wird. Der Anstellwinkel
ß, der Laufschaufeln in den Stufen III bis VI entspricht den normalen Auslegungsverhältnissen
dieser Stufengruppe, und ist jeweils gleich groß. In der, VorstufeI und in der Nachstufe
X dagegen ist hierfür ein Wert kleiner als 20' gewählt, der also von. demjenigen
deir Normalstufen wesentlich abweicht. In den übergangsstufen VII bis IX nimmt der
Laufschauf elwinkel von dem größeren Wert der Stufen III bis VI auf den kleinen
Wert des Laufrades 10 stetig ab, weshaJb. in dieser Stufengruppe VII bis
X der Durchflußquerschnitt konstant bleiben kann. Es ist aber auch möglieh, den
Außendurchmesser des Strömungskanals von der III. bis zur IX. Stufe stetig abnehmen
zu lassen und lediglich in der letzten Stufe einen konstanten oder zunehmenden Wert
einzustellen.
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Fig. 5 zeigt ein Schaubild des Kennfeldes zweier mehrstufiger
Axialverdichter mit dem Ansaugvolutnen Q als Abszisse und dem Druckverhältn'S
P21P1 als Ordinate. 77" 112, % sind Wirkungsgrad ' -
kurven, und M
bezeichnet das Wirkungsgradoptimum.#' Die gestrichelten Linien stellen die Dr-ehzahlkenn-'#
linien n,', n2", n"' eines Verd-ichters mit normaler Auslegung und durchgehend homogenen
Verdichterstufen dar. Das Wirkungsgradoptirnum (Punkt M) liegt dabei sehr nahe an
der Pumpgrenze - dargestellt" durch den Linienzug 0-B -, so daß es praktisch
kaum ausgenutzt werden kann. Die kräftig ausge, zogenen Kurven n,' dagegen sind
Dreh--aLli#I
kennlinien eines mehrstufigen Axialverdichters nach
der Erfindung. Man erkennt deutlich, daß der Ab-,tand des Wirkungsgradoptimums M
von der Pumpgrenzl,inie 0-A dieses Verdichters wesentlich ve#rgrößert ist.
Unter Umständen kann die Pumpgrenze sogar ganz zum Verschwinden gebracht werden.
Die Kurvenscharen der beiden miteinander verglichenen Verdichter sind in dem Kennfeld
der Fig. 5 in einem solchen Maßstab übereinandergezeichnet, daß die jeweiligen
Linien besten Wirkungsgrades zusammenfallen.