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Beschaufelung von mehrstufigen Axialverdichtern Die Erfindung bezieht
sich auf die Gestaltung der Beschaufelung von mehrstufigen Axialverdichtern. Im
allgemeinen sind die Schaufeln solcher Maschinen nur für einen begrenzten Anströmwinkelbereich
geeignet und verursachen außerhalb dieses Bereiches schnell anwachsende Verluste
und damit ein starkes Abfallen im Wirkungsgrad. Es gibt freilich Möglichkeiten,
ungünstige Anströmwinkel zu vermeiden. Beispielsweise kann man alle oder einige
Verdichterstufen unabhängig voneinander umlaufend ausführen, also die Umfangsgeschwindigkeit
dieser Stufen (von welcher ja der Anströmwinkel abhängt) den jeweiligen Bedingungen
anpassen, oder man kann in allen oder einigen Stufen die Schaufeln drehbar ausführen,
also die Schaufelwinkel dem jeweiligen Anströmwinkel anpassen; jedoch sind diese
und ähnliche regelbare Mehrstufenverdichter in Bauart und Steuerung beträchtlich
komplizierter als die Verdichter mit nur festen Schaufeln und gemeinsamer Welle
und werden daher möglichst vermieden. Andererseits haben diese nicht verstellbaren
Mehrstufenverdichter den Nachteil, daß bei Betrieb mit Drehzahlen und Fördermengen
unterhalb der Normalwerte ihr stabiler Bereich unerwünscht klein sein kann. Diese
Neigung ist auf den Umstand zurückzuführen, daß eine Herabsetzung der Drehzahl und
der Fördermenge in jeder Stufe des Verdichters das Druckverhältnis und daher das
Dichteverhältnis gegenüber den der Bemessung zugrunde liegenden Werten ändert, was
zu einer Neuverteilung der Axialgeschwindigkeit des Arbeitsmittels führt. Eine Veränderung
der Axialgeschwindigkeit bei Teillast ist zwar von Haus aus erwünscht, da mit sinkender
Umfangsgeschwindigkeit auch die axiale Strömungsgeschwindigkeit sinken sollte, damit
jede Schaufel richtig angeströmt wird. Die Abänderung, welche eintritt, führt jedoch
nicht zu einem solchen Ergebnis; im allgemeinen sucht vielmehr die mittlere Axialgeschwindigkeit
am Verdichtereinlaß unter den optimalen Wert abzufallen und am Auslaß über einen
solchen Wert anzusteigen, was zur Folge hat, daß der Anströmbereich der Schaufeln
an den Eintritts- und Austrittsstufen jeweils in positiver bzw. negativer Richtung
überschritten wird.
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Die verstärkte Anströmung am Einlaß kann zu einer Erscheinung führen,
die als »Abreißen« (oder »Pumpen« im Fall einer unstetigen Strömung) bekannt ist,
während die verminderte Anströmung am Auslaß zu einer Erscheinung führen kann, welche
unter der Bezeichnung »Drosseln« bekannt ist. Diese beiden Erscheinungen werden
von einem steilen Leistungsabfall begleitet.
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Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß Veränderungen in der Anströmung
mit abnehmender Belastung eine Änderung der Strömungs-Machzahl zur Folge haben.
Bei Normalbetriebsverhältnissen ist die relative Strömungsgeschwindigkeit in den
Einlaßstufen hoch, die Temperatur niedrig und die Machzahl ebenfalls hoch. Bei herabgesetzter
Drehzahl verringert sich außerdem die relative Strömungsgeschwindigkeit und, wenn
die Temperatur am Einlaß bei verminderter Drehzahl im wesentlichen unverändert bleibt,
die Machzahl proportional zur Geschwindigkeit. In den Auslaßstufen ist die Temperatur
höher als am Einlaß. Daraus ergibt sich, daß die Machzahl unter Normalbetriebsverhältnissen
entsprechend niedriger ist. Wenn die Drehzahl vermindert wird, wird die Temperatur
in einem größeren Ausmaß herabgesetzt; daher neigt die Machzahl am Auslaß dazu,
sich mit abnehmender Belastung zu erhöhen. Da der Anströmungswinkelbereich mit zunehmender
Machzahl für einen leistungsfähigen Betrieb abnimmt, können die vorerwähnten l@-Iachzahländerungen
bei verringerter Drehzahl, welche in den Einlaß- und Auslaßstufen in entgegengesetztem
Richtungssinn erfolgen, ebenfalls zu einem Leistungsabfall führen. Es war bisher
üblich, die gleichen Grundschaufelprofile für alle Stufen eines Mehrstufenverdichters
zu verwenden. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es, durch
Ändern gewisser Kennzeichen des Schaufelprofils, nämlich der Stelle der größten
Wölbung oder der Stelle der größten Wandstärke bzw. Profildicke oder dieser beiden
Charakteristiken, möglich ist, die vorerwähnten Anströmungs- und Machzahländerungen
zu ermöglichen und somit die Leistungsfähigkeit des Verdichters bei verminderter
Belastung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird eine Beschaufelung
für einen Mehrstufen-Axialverdichter mit gewölbten Schaufelprofilen geschaffen,
wobei das kennzeichnende Merkmal darin liegt, daß der prozentuale Abstand der Stelle
der höchsten Wölbung oder der größten Wandstärke bzw. Profildicke zur Schaufelvorderkante
oder beide Abstände zusammen von der ersten zur letzten Stufe des Verdichters abnimmt
bzw. abnehmen.
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Die Tendenz, daß es an einer Schaufel zu einem »Abreißen« kommt, wird,
wie festgestellt worden ist, verringert, wenn die Stelle der größten Wölbung oder
der größten Profildicke von der Schaufelvorderkante ,weg nach rückwärts verlegt
wird. Darüber hinaus besitzt eine Schaufel, bei welcher größte Wölbung oder Profildicke
nach hinten verlegt sind, eine höhere kritische Machzahl, d. h., sie kann bei höheren
Strömungsmachzahlwerten leistungsfähiger betrieben werden als eine Schaufel, bei
welcher die Stelle der größten Wölbung oder Profildicke weiter nach vorn liegt.
Da das Problem bei den Einlaßstufen eines Verdichters darin liegt, ein »Abreißen«
zu vermeiden, und da die Machzahl relativ hoch ist, ist es naheliegend, im Fall
der Einlaßstufen die Stelle der größten Profildicke oder Wölbung so weit weg von
der Schaufelvorderkante anzuordnen, wie dies möglich ist. Andererseits will man
durch das Verlegen der Stelle der größten Wölbung oder Profildicke nach vorn in
Richtung auf die Vorderkante zu die Einschnürungsfiäche der Durchlässe zwischen
den Schaufeln, welche somit in der Lage sind, eine größere Massenströmung ohne Gefahr
einer »Drosselung« durchzulassen, vergrößern. Da somit eher das »Drosseln« als das
»Abreißen« in den Auslaßstufen eines Verdichters ein Problem darstellt, ist es naheliegend,
bei den Auslaßstufen die Stelle der größten Profilstärke oder Wölbung näher zur
Schaufelvorderkante zu verlegen als im Falle der Einlaßstufen. Diese Verbesserung
des Wirkungsgrades in Hinsicht auf eine ,»Drosselung« wird selbstverständlich von
einer Verschlechterung des Wirkungsgrades in Hinsicht auf die kritische Machzahl
begleitet. Im Falle eines Schaufelprofils, bei welchem größte Wölbung oder Profildicke
an einer vorderen Stelle liegen, nimmt jedoch der Mittelwert des Anströmungswinkels
mit zunehmender -Machzahl ab, und dies gilt gleichermaßen für die verminderte Anströmung
und die zunehmende Machzahl, welche in den Auslaßstufen bei verminderter Belastung
auftreten. In jedem Falle ist die Machzahl in den Auslaßstufen geringer als in den
Einlaßstufen, und es ist daher weniger wahrscheinlich, daß eine kritische -Machzahl
erreicht wird.
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Um die Erfindung verständlicher zu machen, sollen einige konstruktive
Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Verdichters der vorbeschriebenen
Art durch die Zeichnungen ausführlicher erläutert «erden. Insbesondere sollen die
Verhältnisse 1>ei der ersten und letzten Laufstufe gegenübergestellt werden. In
den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch die Schaufeln des Verdichters
am mittleren Schaufeldurchmesser, Fig. 2 das Geschwindigkeitsdreieck der ersten
und letzten Stufe nach Fig. 1, Fig. 3 a und 3 b geschätzte Geschwindigkeitsdreiecke
bei Teillast der ersten und letzten Stufe nach Fig. 1 und Fit. 4 a und 41i graphische
Darstellungen der Verlu#>tcli:iral<teristil: unter veränderlichen Betriebsbedinäutigen
für die erste und letzte Stufe nach Fig. 1.
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Es wird vorausgesetzt, daß der Verdichter ein Druckverhältnis von
5 :1 erzeugt, daß der Austrittswinke- jeder Laufstufe 15° ist, daß der mittlere
Durchmesser und auch der Temperaturacistieg des Arbeitsmittels in jeder Stufe gleich
sind.
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In Fig. 1 ist A die Drehrichtung. Der Abstand der Punkte größter Wölbung
und größter Profildicke von der Vorderkante ist in jedem Schnitt als Prozentsatz
der Profilsehnenlänge C-D angegeben. Der Einfachheit halber sind diese Werte für
das Lauf- und Leitrad einer Stufe gleichgehalten. Der Anströmwinkel eines Schaufelquerschnittes,
wie er in der ersten Stufe mit a1 bezeichnet ist, ist der Winkel zwischen der Tangente
der Skelettlinie B an der Vorderkante und der Meridianebene. Der Austrittswinkel
ist der entsprechende Winkel an der Hinterkante des Schaufelquerschnittes.
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Gemäß Fig. 2 werden die Geschwindigkeitsdreiecke für die erste und
letzte Stufe gleich angenommen. U stellt dabei die Umfangsgeschwindigkeit, h" die
axiale Geschwindigkeitskomponente des durch die Stufe strömenden Arbeitsmittels,
Cl die absolute und V1 die relative Anströmgeschwindigkeit dar. Die Werte a1 = 45°
und V1 = 215,5 m/sec gelten demnach für beide Stufen. Die Machzahlen sind jedoch
infolge der durch die Verdichtung steigenden Temperaturen wesentlich verschieden,
und zwar betragen sie 0,635 in der ersten und 0,445 in der letzten Stufe entsprechend
Arbeitsmitteltemperaturen von 288° K und 480° K.
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Die Fig. 3 a und 3 b zeigen in den voll ausgezogenen Linien die geschätzten
Geschwindigkeitsdreiecke der ersten bzw. letzten Stufe am mittleren Schaufeldurchmesser,
wenn die Umfangsgeschwindigkeit U auf drei Viertel des Normalwertes abgefallen ist.
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ha verringert sich jedoch nicht im gleichen Verhältnis wie U in der
.ersten und letzten Stufe, sondern die proportionale Verringerung ist in der ersten
Stufe größer, was eine Zunahme des Anströmungswinkels auf 50° (s. Fig. 3 a) zur
Folge hat, und in der letzten Stufe kleiner, was eine Abnahme des Anströmungswinkels
auf 24° (s. Fig. 3 b) zur Folge hat. In der ersten Stufe wird die Geschwindigkeit
T, auf etwa 154,3 m/sec herabgesetzt, und wenn die Temperatur die gleiche wie bei
',Normalzustand ist, wird die Machzahl entsprechend auf etwa 0,45 herabgesetzt.
In der letzten Stufe wird die Geschwindigkeit Th geringfügig auf 223,5 m/sec erhöht;
da sich jedoch die Temperatur in einem beträchtlich größerem Ausmaß als die Drehzahl
verringert hat, erhöht sich die Machzahl sehr wesentlich auf 0,580.
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Die Fig.4a und 41> veranschaulichen jeweils die Verlustcharakteristiken
für die Schaufeln der ersten und letzten Stufe. In diesen graphischen Darstellungen
ist der Verlust als Prozentsatz des Gesamtgefälles W des durch die Schaufelreihe
mit verschiedenen Machzahlen tlla geleiteten Strömungsmittels in Abhängigkeit vom
Anströmmittel a1 angegeben.
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Aus Fig. 4a ist zu ersehen, daß der Anströmwinkel, welcher einem gegebenen
Verlust, beispielsweise 5d/0, entspricht, mit zunehmender Machzahl abnimmt: die
Anordnung ist so getroffen, daß bei den höheren Machzahlen von 0,6 bis 0,7, welche
in der ersten Stufe unter Normalbetriebsverhältnissen bestehen, der Mittelwert des
Anströmwinkels dem Normalwert des Anströmwinkels, d. h. 45°, entspricht. Unter herabgesetzten
Belastungsverhältnissen ist die Machzahl kleiner und der Anströmwinkel für den gleichen
Verlust größer; somit können die Schaufeln den vergrößerten Anströniwinkel, d. h.
50°, ohne Leistungsabfall annehmen. Es sei darauf hingewiesen, daß der R-Iindestverlust
gering ist und sich nur geringfügig
bei unterschiedlichen Machzahlen
ändert, woraus hervorgeht, daß die kritische Machzahl hoch ist.
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Aus Fig. 4b ist ersichtlich, daß der Anströmwinkel für einen gegebenen
Verlust mit zunehmender Machzahl abnimmt und daß gleichzeitig der Mittelwert des
Anströmwinkels abnimmt. Diese Verminderung des Mittelwertes des Anströmwinkels entspricht
der verminderten Anströmung und der erhöhten Machzahl, welche in der Auslaßstufe
bei verringerter Belastung auftreten. Es wird darauf hingewiesen, daß der Mindestverlust
mit der Machzahl zunimmt, wodurch eine Herabsetzung der kritischen Machzahl angezeigt
wird. Da die Machzahl in der Auslaßstufe allgemein kleiner ist als in der Einlaßstufe,
wird bei Betrieb jedoch keine kritische Machzahl erreicht.
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Der beschriebenen Ausführungsanordnung ist zu entnehmen, daß die Verringerung
des Abstandes der Stelle der größten Profildicke von der Schaufelvorderkante hauptsächlich
in den hinteren Stufen auftritt, während die Verminderung des Abstandes der Stelle
der größten Wölbung von der Vorderkante hauptsächlich in den vorderen Stufen des
Verdichters erfolgt. Das Verlegen der Stelle der größten Profildicke in Richtung
auf die Vorderkante hat eine Herabsetzung der kritischen Machzahl zur Folge; daher
ist es wünschenswert, diese Verlegung auf die hinteren Stufen zu beschränken, wo
die allgemeine Höhe der Machzahlwerte niedriger ist. Andererseits hat das Verlegen
der Stelle der größten Wölbung in Richtung auf die Vorderkante eine geringere Auswirkung
auf die kritische Machzahl, jedoch eine größere Auswirkung hinsichtlich der Vermeidung
einer »Drosselung« als eine gleiche Verlegung der Stelle der größten Profildicke.
Somit ist es wünschenswert, die Stelle der größten Wölbung in den vorderen Stufen
vorzuverlegen, um dadurch den Vorteil des verbesserten Wirkungsgrades in so viel
mittleren und hinteren tufen wie möglich zu erhalten, wo das »Drosseln« leicht zu
einem Problem werden kann.