DE19705407A1 - Wasserdampf-Turboverdichter - Google Patents

Description

Wasserdampf-Turboverdichter sind dadurch gekennzeichnet, daß wegen der kleinen Dichte des zu fördernden Wasserdampfes und des für die Kälteerzeugung erforderlichen großen Druckverhältnisses große Laufraddurchmesser und da mit sehr große Umfangsgeschwin­ digkeiten erforderlich sind. Um diese Forderung beherrschbar zu gestalten, wurde in der DE-PS 43 21 173 ein Turboverdichter-Laufrad vorgeschlagen, dessen Schaufeln eben ausgeführt sind und aus dünnen Faserverbundwerkstoff bestehen. Diese Konstruktion be­ sitzt keine Tragscheibe im herkömmlichen Sinne, sondern es wird unter strömungstechni­ schen Gesichtspunkten eine sogenannte Dichtscheibe eingesetzt. Schaufeln und Dicht­ scheibe werden bei dieser Ausführungsform im wesentlichen durch Radialspannungen be­ ansprucht. Die strömungsbedingten Zugspannungen und Momente an den Schaufeln be­ wirken mit sich ändernder Drehzahl, längs des Radius eine Veränderung des axialen Spal­ tes zwischen Schaufeln und Dichtscheibe bzw. Gehäuse. Problematisch ist es auch, die mit relativ geringer Wandstärke ausgeführte Dichtscheibe so zu gestalten und zu befestigen, daß keine Deformierung eintritt.

Bei Laufrädern radialer Bauart für Turbolader und Wasserturbinen ist es bekannt, diese aus Fertigungs- oder Festigkeitsgründen ohne Deckscheibe auszuführen, ohne daß es da­ durch zu einer beträchtlichen Verringerung des Wirkungsgrades kommt.

Bei radialen Förder- oder Heißluftgebläsen verzichtet man auf die Deckscheibe und gele­ gentlich auch auf die Trag- und Deckscheibe. Der Axialspalt zwischen Rotor und Gehäuse wird in der Regel relativ groß ausgeführt, um die Verstopfungs-, Entzündungs- und Anlauf­ gefahr zu reduzieren. Die damit verbundene Wirkungsgradabsenkung wird zu Gunsten der Betriebssicherheit in Kauf genommen.

Auch bei Turboladern werden sogenannte Schaufelsterne eingesetzt, die ohne Trag- und Deckscheibe ausgeführt sind. Die damit verbundenen größeren Axialspalte zwischen Schaufelstern und Gehäuse führen zwangsläufig zu einem Wirkungsgradverlust, der bei Turboverdichtern zur Verdichtung von Wasserdampf nicht akzeptabel ist.

Die Spalte zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse sind funktionell erforderlich und hängen ab von der Genauigkeit der Montage der Schaufeln auf der Nabe und des Laufra­ des im Gehäuse, der thermischen Längenänderung der Antriebswelle und der Deformation der Schaufeln bei Rotation des Laufrades. Untersucht man die Verluste bei typischen Was­ serdampf-Turboverdichtern, dann ergibt sich, daß die Spalte zwischen den Laufschaufeln und der Dichtscheibe bzw. dem Gehäuse möglichst klein gehalten werden müssen, um ak­ zeptable Wirkungsgrade zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die fertigungs- und montagebedingten Spalte und deren zu­ sätzliche Vergrößerung durch Deformation während des Betriebes zu minimieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst, indem während des Betriebes des Verdichters mit an sich bekannten Sensoren die Spalte zwischen Laufschau­ feln den erfindungsgemäß angeordneten Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben ge­ messen werden und über eine elektronische Schaltung Impulse zum Heranführen der Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben ausgelöst werden. Dabei ist zu sichern, daß der Spalt ein Minimum erreicht, aber eine Berührung zwischen den Schaufeln und feststehen­ den Bauteilen ausgeschlossen wird.

Da der Axialspalt, bedingt durch die Deformierung der Schaufeln, nach außen hin zunimmt, ist es zweckmäßig die Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben so zu gestalten, daß sie diese Gegebenheit berücksichtigen. Das kann durch entsprechende Profilierung oder durch Deformierung erfolgen.

Der Nutzen der Erfindung besteht darin, daß die Trag- bzw. Dichtscheibe entfallen kann und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Verdichters wächst, indem die Leckverluste beim Durchströmen der Spalte sinken und ein Teil der Reibungsverluste an der Trag- bzw. Dicht­ scheibe entfällt. Die Durchströmung der Laufschaufelkanäle wird gleichmäßiger, so daß auch die Leitschaufeln gleichmäßiger und verlustärmer durchströmt werden.

An den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In Fig. 1 ist eine Ausführungsform mit einer deformierbaren und in Fig. 2 eine Ausführungsform mit einer profilierten Kreisringscheibe dargestellt.

Auf der Verdichterwelle 12 sind mittels einer speziellen Nabenkonstruktion und den Schaufelbolzen 2 die Laufschaufeln 1 befestigt. Die Laufschaufeln können aus Faserver­ bundwerkstoff relativ geringer Materialstärke bestehen. Sie sind als Doppelschaufeln aus­ gebildet, die am Schaufelfuß durch die Schaufelbolzen 2 arretiert werden. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich die Laufschaufeln 1 während des Betriebes um ei­ nen bestimmten Betrag verwinden, so daß der Axialspalt zwischen Laufschaufeln 1 und den Gehäusewandungen 5 und 10 nach außen hin zunimmt.

In den beiden Abbildungen ist die Verstellung des Axialspaltes an der der Ansaugseite 4 gegenüberliegenden Gehäusewandung 5 dargestellt. Es ist aber auch möglich, die Axialspaltverstellung an der auf der Ansaugseite 4 liegenden Gehäusewandung 10 vorzu­ nehmen.

Gemäß Fig. 1 wird zur Axialspaltverstellung eine deformierbare Kreisringscheibe 6 einge­ setzt deren Stärke sich nach außen hin verringert. Dadurch wird eine Deformierung der Kreisringscheibe 6 entsprechend der zu erwartenden Verwindung der Laufschaufeln 1 er­ reicht. Im äußeren Bereich der Kreisringscheibe befinden sich am Umfang gleichmäßig verteilte Sensoren 7, die über eine nicht dargestellte elektronische Schaltung die Ansteue­ rung der ebenfalls gleichmäßig am Umfang verteilten Stellmotoren 8 in Abhängigkeit von der Größe des Axialspaltes bewirken. Durch die elektronische Schaltung wird erreicht, daß der Axialspalt bei laufendem Verdichter ein Minimum erreicht und beim Stillstand und beim Aus- bzw. Anlaufen des Laufrades die Kreisringscheibe 6 soweit zurückgeführt wird, daß keine Berührung zwischen Laufschaufeln 1 und Kreisringscheibe 6 auftritt. Zwischen den Stellmotoren 8 und der Kreisringscheibe 6 ist ein Verstellring 9 angeordnet.

Gemäß Fig. 2 wird die Axialspaltverstellung durch eine profilierte Kreisringscheibe 14, die auf einem Lagerring 13 geführt wird, vorgenommen. Die Kreisringscheibe 14 ist entspre­ chend der voraussichtlichen Verwindung der Laufschaufeln 1 profiliert. Ansonsten unter­ scheidet sich diese Ausführungsform nicht von der Ausführungsform, die in Fig. 1 darge­ stellt ist.

Anstelle mehrerer Stellmotoren kann auch eine Konstruktion mit einem zentral angeordne­ ten Stellmotor gewählt werden, der eine Umfangsverstellung erzeugt, die über Keilstücke in eine axiale Verstellung umgewandelt wird.

Mit den Pfeilen 3 ist die Ansaugströmung und mit den Pfeilen 11 die Abströmung darge­ stellt.

Claims (4)

1. Wasserdampf-Turboverdichter radialer Bauart, dessen Laufrad ohne Deck- und Trag- bzw. Dichtscheibe ausgestattet ist und dessen Schaufeln vorzugsweise aus faserverstärk­ ten Verbundmaterial bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gehäuse und Laufrad, insbesondere an der der Ansaugseite gegenüber liegenden Gehäusewandung axial verstellbare Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben angeordnet sind, deren Verstel­ lung durch Steuersignale von am Umfang verteilten, den Axialspalt bei laufenden Verdichter messenden Sensoren ausgelöst wird.

2. Wasserdampf-Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Axialspaltverstellung durch die Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben nach außen hin progressiv zunimmt.

3. Wasserdampf-Turboverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben in radialer Richtung profiliert und deformierbar sind.

4. Wasserdampf-Turboverdichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisring- oder Kreisringsegmentscheiben in radialer Richtung profiliert und axial verschieb­ bar sind.