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Leitvorrichtung für Axialverdichter Die Erfindung bezieht sich auf
eine Leitvorrichtung bei einem ein- oder mehrstufigen Axialverdichter mit einem
dem Laufrad der ersten Stufe vorgeschalteten Vorleitkranz, dessen Schaufeln vorzugsweise
um radial zur Verdichterachse angeordnete Achsen schwenkbar sind, und mit einer
vor dem Laufrad der ersten Stufe konzentrisch zur Verdichterachse angeordneten,
der Form des Saugmundes bzw. des Außengehäuses angepaßten Stabilisierungsfläche.
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Bei Axialverdichtern tritt bei starker Drosselung unterhalb des normalen
Betriebsbereichs, also bei kleinerer Fördermenge, eine Instabilität der Kennlinie
auf. Die Kennlinie, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Druckerhöhung in Funktion
der Fördermenge aufgetragen wird, erhält bei vom Normalbetriebszustand abweichenden
Zuständen sattelförmige Einbuchtungen, die verbunden sind mit einer mehr oder weniger
heftigen Druckabnahme statt mit einer Druckzunahme. Diese Betriebszustände sind
aus akustischen Gründen unerwünscht, da die im Laufrad abgerissene Strömung zu starken
Schallbelästigungen führt. Gleichzeitig mit diesen Erscheinungen verbunden sind
Gefährdungen der Laufschaufeln, die durch die instabile Strömung in Schwingungen
versetzt werden. Diese Erscheinungen sind bedingt durch eine starke radiale Verschiebung
der Stromlinien im Laufrad nach außen, so daß sich die ganze Strömung der Spitze
des Laufrades zu verlagert. Es können bei starker Drosselung Ringwirbel am Laufradeintritt
auftreten, die die Fördermenge bis auf Null herunterdrücken können.
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Ein einfaches Mittel, um diese lästigen Erscheinungen auszuschalten,
besteht in der Anordnung eines sogenannten Saugringes oder einer Stabilisierungsfläche,
die vor das Laufrad in einem bestimmten Abstand vom Gehäuse gesetzt wird. Diese
Stabilisierungsfläche muß so nahe wie möglich an die Eintrittskanten der Laufschaufeln
herangebracht werden. Diese Fläche hat die Eigenschaft, daß sie die Ausbildung des
vorhin geschilderten Wirbels zum Teil verhindert und in der Nähe der Schaufelspitzen
des Laufrades noch eine gesunde Strömung erzwingt. Dies macht sich bemerkbar in
einer Vergleichsmäßigung der Charakteristik, d. h. der Druck-Mengen-Kurve. Die sattelförmigen,
tiefen Ausbuchtungen nach unten in der Kennlinie verschwinden oder werden doch so
stark gemildert, daß ein stabiler Betrieb möglich ist. Das Schallverhalten des Verdichters
ist ein wesentlich anderes als ohne diese Stabilisierungsfläche, und die Schwingungsbeanspruchungen
der Laufschaufeln werden gemindert. Bei Axialverdichtern mit einem fest eingestellten
Vorleitkranz hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Stabilisierungsfläche zwischen
diesem und dem nachfolgenden Laufrad anzuordnen.
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Eine Mengenregelung ist bei jeder Kreiselmaschine durch Drehzahlveränderungen
gegeben. Es können aber auch mit einer festen Drehzahl die Mengen vorteilhaft durch
einen regelbaren Leitkranz geregelt werden, welcher vor das Laufrad der ersten Stufe
gesetzt wird. Bei einer Stellung der drehbaren Leitschaufeln im Sinn der Umfangsrichtung
wird die Menge verkleinert (Mitdrall). Bei Gegendrall wird die Menge vergrößert.
Bei dieser Methode der Mengenregelung treten jedoch bei stärkerer Drosselung wieder
dieselben Unannehmlichkeiten auf wie bei der Stufe ohne Stabilisator.
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Um einen Verdichter in einem größten Arbeitsbereich betreiben zu können,
ohne diese Nachteile der akustischen Belästigung und der Gefahr der Schaufelschwingungen
in Kauf nehmen zu müssen, soll eine Maschine geschaffen werden, die in den verschiedenen
Betriebsgebieten mit annähernd stabiler Kennlinie zu arbeiten vermag oder, mit anderen
Worten, der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Arbeitsbereich eines Verdichters
bei stark wechselnden Fördermengen auszuweiten, d. h., den Bereich der stabilen
Strömungsverhältnisse in der Verdichterstufe zu vergrößern. Es ist z. B. gerade
bei lufttechnischen Anlagen von größtem Vorteil, bei stark wechselnden Fördermengen,
die mit den Erfordernissen des mit Luft zu bedienenden Fabrikationsvorganges zusammenhängen,
in jedem geforderten Betriebsbereich stabile Strömungsverhältnisse in der Verdichterstufe
zu schaffen.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Leitvorrichtung,
ausgehend von der eingangs geschilderten Vorrichtungsgattung, bei welcher erfindungsgemäß
die schwenkbaren Schaufeln des Vorleitkranzes
von der Nabe des
Verdichters bis etwa zur Innenseite der Stabilisierungsfläche reichen und daß diese
die Schaufeln des Vorleitkranzes wenigstens über deren gesamte axiale Erstreckung
bis unmittelbar vor das Laufrad abdeckt, so daß zwischen der Gehäusewand und der
Stabilisierungsfläche ein von Leitschaufeln frei bleibender Ringspalt entsteht.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es sehr einfach möglich, mit
Hilfe des verstellbaren Vorleitkranzes bei konstanter Drehzahl eine Mengenregelung
zu erreichen, ohne daß man bei sehr starker Drosselung in das Abrißgebiet kommt,
in welchem, wie beschrieben, Unzuträglichkeiten akustischer und mechanischer Natur
auftreten. Dies kann nur durch die beschriebene gegenseitige Zuordnung der Stabilisierungsfläche
mit den unter ihr angeordneten drehbaren Vorleitschaufeln vor dem Laufrad erreicht
werden. Auch bei kleinen Mengendurchsätzen wird eine annähernd monoton verlaufende
Druck-Mengen-Kurve erzielt.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dem zwischen
der Stabilisierungsfläche und dem Gehäuse gebildeten Ringspalt eine radiale Breite
von etwa ein Achtel bis ein Siebentel der radialen Laufschaufellänge zu geben.
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Ebenso soll bei einer bevorzugten Ausführungsform der axiale Abstand
zwischen den Austrittskanten der Vorleitschaufeln des Vorleitkranzes und den Eintrittskanten
der Laufschaufeln wenigstens das Achtfache der größten Profildicke der Vorleitschaufeln
in ganz geöffnetem Zustand betragen.
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Bei der genannten Breite des Ringspaltes ergeben sich die im Sinn
der Erfindung günstigsten Kennlinien im Druck-Mengen-Diagramm. Der weiterhin genannte
Abstand gewährleistet mit den genannten Maßen den akustisch ruhigsten Lauf des Verdichters.
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Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung einer in der Zeichnung
rein schematisch dargestellten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes näher
erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Teillängsschnitt durch eine Verdichterstufe,
und in F i g. 2 ist eine Einzelheit in vergrößertem Maßstab im Schnitt nach der
Linie I1-II der F i g. 1 dargestellt.
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Der Verdichter weist in üblicher und bekannter Weise ein Laufrad 1
sowie ein diesem nachgeschaltetes Leitrad 2 auf. Vor dem Laufrad ist ein Vorleitkranz
3 mit um Achsen 5 schwenkbaren Schaufeln 4 zur Regelung der Durchsatzmenge angeordnet.
Diese Schaufeln 4 des Vorleitkranzes 3 erstrecken sich von der Nabe 8 nicht bis
zum Gehäuse 6 des Verdichters, sondern lediglich bis zu einer ringförmigen Stabilisierungsfläche
7, welche sich wenigstens über die gesamte axiale Erstreckung der Schaufeln 4 bis
unmittelbar an die Vorderkanten der Laufrades 1 ausdehnt und so die Schaufeln 4
nach außen abdeckt.
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Die ringförmige Stabilisierungsfläche bildet mit der Gehäusewand 6,
der sie in ihrer Form angepaßt ist, einen Ringspalt 9. Dieser Ringspalt 9 hat vorzugsweise
eine Breite in Radialrichtung, welche etwa ein Achtel bis ein Siebentel der gesamten
radialen Länge der Schaufeln des Laufrades 1 entspricht. Der zwischen den Vorderkanten
der Schaufeln des Laufrades 1 und den diesen zugerichteten Kanten der Stabilisierungsfläche
7 gebildete Spalt 10 soll so klein wie möglich gehalten werden. Man wird also mit
der Kante der Stabilisierungsfläche so nahe an die Vorderkanten des Laufrades l
herangehen, wie es aus Sicherheitsgründen gerade noch möglich ist.
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Ebenso wie sich für die Breite des Ringspaltes 9 ein optimales Maß
herausgestellt hat, gilt dies auch für den Abstand 11 zwischen den Vorderkanten
des Laufrades 1 und den Hinterkanten der Schaufeln 4 des Vorleitkranzes 3 in deren
ganz geöffnetem Zustand. Es hat sich herausgestellt, daß dieser Abstand wenigstens
das Achtfache der größten Profildicke 12 der Schaufeln 4 des Vorleitkranzes 3 in
ganz geöffnetem Zustand betragen sollte.
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Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Leitvorrichtung für
Axialverdichter kann die gestellte Aufgabe so gut gemeistert werden, daß bei mehrstufigen
Verdichtern lediglich vor das Laufrad der ersten und dann frühestens der vierten
Stufe ein regelbarer Vorleitkranz 3 mit der diesem erfindungsgemäß zugeordneten
Stabilisierungsfläche 7 angeordnet zu werden braucht. Die erstrebte Wirkung tritt
also über drei Stufen ein.