DE1011573B - Mehrstufiger Axialverdichter - Google Patents

Mehrstufiger Axialverdichter

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DE1011573B
DE1011573B DEM18107A DEM0018107A DE1011573B DE 1011573 B DE1011573 B DE 1011573B DE M18107 A DEM18107 A DE M18107A DE M0018107 A DEM0018107 A DE M0018107A DE 1011573 B DE1011573 B DE 1011573B
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DE
Germany
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stage
axial compressor
stages
compressor
blades
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Pending
Application number
DEM18107A
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English (en)
Inventor
Alexander Garve
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MAN AG
Original Assignee
MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Publication date
Application filed by MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG filed Critical MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00Axial-flow pumps
    • F04D19/02Multi-stage pumps
    • F04D19/028Layout of fluid flow through the stages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE-. 1. Mehrstufiger Axialverdichter mit homogen ausgelegten Leit- und Laufschaufelgittern, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter den homogen ausgelegten Stufen mindestens je eiine inhomogene Stufe angeordnet ist, und zwar mit einem größeren Durchflußquerschnitt und einem kleineren Einstellwinkel der Laufschaufeln als bei entsprechender honlogener Auslegung.
  2. 2. Mehrstufiger Axialverdichter nach, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwinkel der Laufschaufeln in mindestens der ersten Verdichtungsstufe kleiner als 20' ist. 3. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwinkel der Laufschaufeln in mindestens der letzten Verdichtungsstufe kleiner als 20' ist. 4. Mehrstufiger Axialve-rdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der übergang von den Stufen inhomogener zu homogener Auslegung unstetig verläuft. In Betracht gezogene Druckschriften: Kruschik, Die Gasturbine, Wien, 1952, S. 93; Friedrich, Gasturbinen mit Gleichdruckverbrennung, Karlsruhe, 1949, S. 52 und 53; Eck, Technische Strömungslehre, Berlin, 1949, s. 314; P f e i d e r e r, Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase, Berlin, 1949, S. 440.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10337519B2 (en) 2015-11-24 2019-07-02 MTU Aero Engines AG Method, compressor and turbomachine

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US10337519B2 (en) 2015-11-24 2019-07-02 MTU Aero Engines AG Method, compressor and turbomachine

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