DE19907907A1 - Mehrstufiger Turboverdichter - Google Patents

Mehrstufiger Turboverdichter

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Abstract

Ein mehrstufiger Turboverdichter ist mit einer Anzapfstelle zwischen zwei Verdichterstufen ausgestattet. Der Leitapparat der unmittelbar stromauf oder stromab der Anzapfstelle angeordneten Stufe ist mit einer verstellbaren Geometrie ausgeführt. Durch eine Verstellung dieses Leitapparates kann der Druck an der Anzapfstelle in weiteren Grenzen unabhängig vom Verdichterbetriebspunkt eingestellt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrstufigen Turboverdichter, welcher Turboverdichter im Betrieb ein Medium von einem Eingangsdruck zu einem Enddruck fördert, beinhaltend unter anderem jeweils eine Anzahl Leitapparate und Laufgitter, welche in Förderrichtung alternierend angeordnet sind, dergestalt, dass jeweils ein Laufgitter mit einem in Förderrichtung folgenden Leitapparat eine Verdichterstufe bilden, und wobei die Laufgitter auf einem Rotor und die Leitapparate in einem Stator angeordnet sind, welcher Turboverdichter mit mindestens einer Anzapfung bei mindestens einem weiteren Druck, welcher Druck zwischen dem Eingangsdruck und Enddruck liegt, verfügt, an welcher Anzapfung ein Teilstrom eines teilverdichteten Mediums entnommen wird, sowie Verfahren zum Betrieb desselben.
Stand der Technik
Eine sehr effiziente Methode zur Regelung von Turboverdichtern ist die Verstellung des Leitapparates einer einzelnen oder mehrerer Stufen (Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 14. Auflage 1981: 877f; Traupel, Thermische Turbomaschinen, 3. Auflage 1982: Band 2 S. 111ff). Diese Regelungsmethode wird insbesondere bei Maschinen, die einen grossen Drehzahlbereich abdecken müssen, seit langem eingesetzt: Bei Flugtriebwerken kann durchaus die Hälfte der Verdichterstufen mit verstellbaren Leitapparaten ausgestattet sein. Auch bei stationären Gasturbinen der jüngsten Generation geht die Entwicklung dahin, mehrere Verdichterstufen mit verstellbarer Geometrie auszuführen, wie beispielsweise in der ABB Technik 2/1994 S. 4ff beschrieben.
Mehrstufige Turboverdichter, gerade solche, die in Gasturbinen eingesetzt sind, verfügen über Anzapfungen zur Entnahme von Verdichterluft bei einem oder mehreren Drücken, wobei der Anzapfdruck zwischen dem Eintrittsdruck und dem Enddruck liegt. Die an den Anzapfstellen benötigte Hilfsluft wird meist bei einem recht hohen Druckniveau benötigt, beispielsweise zur Kühlung der Turbinenkomponenten. Daher liegen die Anzapfstellen meist in den hinteren Stufen eines Verdichters. Der Anzapfdruck ist somit im wesentlichen durch den Verdichterbetriebsdruck vorgegeben: Er ist einerseits bei einem bestimmten Verdichterenddruck invariabel, andererseits verändert er sich unmittelbar mit dem Betriebspunkt des Verdichters.
Mit den heute üblichen Turboverdichtern und den Verfahren zum Betrieb derselben ist es also nicht möglich, unabhängig vom Betriebspunkt des Turboverdichters einen definierten Anzapfdruck bereitzustellen.
Darstellung der Erfindung
Hier will nun die Erfindung Abhilfe schaffen. Ziel der Erfindung ist nun also, bei einem mehrstufigen Turboverdichter, welcher Turboverdichter im Betrieb ein Medium von einem Eingangsdruck zu einem Enddruck fördert, beinhaltend unter anderem jeweils eine Anzahl Leitapparate und Laufgitter, welche in Förderrichtung alternierend angeordnet sind, dergestalt, dass jeweils ein Laufgitter mit einem in Förderrichtung folgenden Leitapparat eine Verdichterstufe bilden, und wobei die Laufgitter auf einem Rotor und die Leitapparate in einem Stator angeordnet sind, welcher Turboverdichter mit mindestens einer Anzapfung bei mindestens einem weiteren Druck, welcher Druck zwischen dem Eingangsdruck und Enddruck liegt, verfügt, an welcher Anzapfung ein Teilstrom eines teilverdichteten Mediums entnommen wird, eine Möglichkeit vorzusehen, den Anzapfdruck in einem weiten Bereich unabhängig vom Betriebspunkt des Verdichters einzustellen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Leitapparat der Stufe, die unmittelbar stromauf der Anzapfstelle liegt und/oder mindestens einer stromab der Anzapfung angeordneten Stufe mit einer verstellbaren Geometrie ausgeführt ist.
Wie einleitend erwähnt, ist es bei Turboverdichtern, die über einen grösseren Drehzahlbereich arbeiten, zur Anpassung der Stufenkinematik durchaus üblich ist, eine grössere Anzahl von Laufgittern verstellbar auszuführen. Hier jedoch dient die Verstellung der Leitreihe im Zusammenhang mit der Erfindung dazu, den Druck an einer bestimmten Stelle des Verdichters unabhängig vom Verdichterbetriebspunkt zu steuern. Daher ist die Verwendung des Erfindungsgegenstandes auch bei Verdichtern sinnvoll und wünschenswert, die zum Betrieb mit einer konstanten Drehzahl vorgesehen sind.
Durch diese Ausführung ist eine Betriebsart des Verdichters möglich, bei welcher der Arbeitsumsatz des Verdichters in Abhängigkeit von den Erfordernissen an der Anzapfstelle und dem Betriebspunkt des Verdichters in die vorderen oder die hinteren Verdichterstufen verlagert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt exemplarisch einen fünfstufigen Axialverdichter mit einer Zwischenanzapfung nach der dritten Verdichterstufe.
In Fig. 2 ist der Druckverlauf in diesem Verdichter in zwei Betriebspunkten bei erfindungsgemässer Ausführung und Betriebsart dargestellt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist exemplarisch ein Axialverdichter dargestellt, der ein Medium 25, 26 in Pfeilrichtung von einem Druck p = p0 auf einen Druck p = p5 fördert. Die Verdichterlaufgitter LA1, LA2, LA3, LA4, LA5 sind auf einer Welle 11 des Verdichters angeordnet und drehen sich mit der Welle um eine Maschinenachse 10. In Strömungsrichtung folgt jedem Laufgitter ein Leitapparat LE1, LE2, LE3, LE4, LE5, welcher im Gehäuse 12 befestigt ist. Der dargestellte Verdichter ist weiterhin mit eine verstellbaren Vorleitreihe VLE ausgestattet, die im wesentlichen den Eintrittsvolumenstrom des Verdichters bestimmt.
Der dargestellte fünfstufige Axialverdichter darf hierbei keinesfalls in einschränkendem Sinne verstanden werden, und zwar insbesondere nicht im Hinblick auf die Stufenzahl und die Bauart. Ein Axialverdichter als Bestandteil einer Gasturbinenanlage verfügt im allgemeinen über deutlich mehr Stufen. Andererseits kann die Erfindungsidee beispielsweise auch in Radialverdichtern realisiert werden, oder in Verdichtern, die sowohl über axiale wie auch über radiale oder diagonal durchströmte Stufen verfügen. Ebensowenig ist die Vorleitreihe zwingend.
Der Betriebspunkt des Verdichters, insbesondere der Druck p5, wird durch einen stromab der letzten Verdicherstufe und der Ebene 5 angeordneten Verbraucher vorgegeben, während der Druck p0 im wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht. Bei einer gegebenen Geometrie der Stufen wird der Druck an den Ebenen 1, 2, 3, 4 innerhalb des Verdichters durch den Eingangs- und Enddruck sowie den Volumenstrom bestimmt.
Bei dem dargestellten Verdichter ist weiterhin eine Anzapfung 14 im Gehäuse 12 vorgesehen, durch die eine Menge teilverdichteten Mediums 14 nach der dritten Verdichterstufe LA3, LE3 entnommen wird. Es kann sich dabei beispielsweise um Kühlluft handeln, die in einer Gasturbinenanlage an einer Stelle geeigneten Drucks der Strömung in der thermisch hochbelasteten Turbine zugeführt wird.
Die durchgezogene Linie in Fig. 2 zeigt schematisch den Druckverlauf in Verdichter-Strömungsrichtung im Auslegungs-Betriebspunkt unter der Annahme, dass alle Stufen ein identisches Druckverhältnis aufweisen.
Wenn nunmehr der Verdichterenddruck sinkt, so sinkt selbstverständlich der Druck an jeder der Zwischenebenen des Verdichters ebenfalls, also auch der Druck an der Anzapfung 14 in der Ebene 3. Soll dieser Druck konstant gehalten werden, so ist hierzu das Verdichterkennfeld zu verändern, was insbesondere durch eine Veränderung der Stufengeometrie erfolgen kann. Wie einleitend erwähnt, sind verstellbare Verdichterleitapparate bekannt. Wie ebenfalls erwähnt, beschränkt sich deren Anwendung auf die vorderen Verdichterstufen, wo sie dazu dienen, das Kennfeld des Verdichters dem des Verbrauchers anzupassen, oder als Vorleitreihe zur Steuerung des Einlassvolumenstroms.
Bei einem erfindungsgemässen Turboverdichter werden nun der Anzapfung unmittelbar benachbarte Leitapparate verstellbar ausgeführt, um möglichst direkt auf den zur Verfügung stehenden Anzapfdruck zu wirken. Im Ausführungsbeispiel seien beispielsweise die Leitschaufeln LE3 verstellbar, bei sinkendem Verdichterenddruck kann die Geometrie des Leitapparates nunmehr so verändert werden, dass der Enthalpieumsatz und damit der Druckaufbau in der dritten Verdichterstufe im Vergleich zu den anderen Stufen steigt. Es resultiert der gestrichelt eingezeichnete Druckverlauf: Bei sinkendem Verdichterenddruck kann der Anzapfdruck in der Ebene 3 konstant gehalten werden.
Selbstverständlich kann die Verstellung der Leitreihe LE3 auch verwendet werden, um bei einer Erhöhung des Verdichterenddrucks den Druckaufbau in der dritten Verdichterstufe zu verringern, und den Anzapfdruck konstant zu halten. Ebenso kann die Verstellung des Leitapparates auch benutzt werden, um bei global betrachtet konstantem Verdichterbetrieb den Druck an der Anzapfung 14 den variablen Erfordernissen eines dort angeschlossenen Verbrauchers anzupassen.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die Druckanpassung vorzunehmen, indem der Leitapparat der unmittelbar stromab der Anzapfstelle gelegenen Verdichterstufe, im Ausführungsbeispiel LE4, verstellt wird.
Bezugszeichenliste
0
Ebene in einem Verdichter
1
Ebene in einem Verdichter
2
Ebene in einem Verdichter
3
Ebene in einem Verdichter
4
Ebene in einem Verdichter
5
Ebene in einem Verdichter
7
Menge teilverdichteten Mediums
11
Welle
12
Gehäuse
14
Anzapfstelle
25
Zuströmung unverdichteten Mediums zum Verdichter
26
Abströmung verdichteten Mediums aus dem Verdichter
LA1 Laufrad der ersten Verdichterstufe
LE1 Leitapparat der ersten Verdichterstufe
LA2 Laufrad der zweiten Verdichterstufe
LE2 Leitapparat der zweiten Verdichterstufe
LA3 Laufrad der dritten Verdichterstufe
LE3 Leitapparat der dritten Verdichterstufe
LA4 Laufrad der vierten Verdichterstufe
LE4 Leitapparat der vierten Verdichterstufe
LA5 Laufrad der fünften Verdichterstufe
LE5 Leitapparat der fünften Verdichterstufe
p0
Eingangsdruck
p5
Enddruck

Claims (4)

1. Mehrstufiger Turboverdichter, welcher Turboverdichter im Betrieb ein Medium (25, 26) von einem Eingangsdruck (p0) zu einem Enddruck (p5) fördert, beinhaltend unter anderem jeweils eine Anzahl Leitapparate (LE) und Laufgitter (LA), welche in Förderrichtung alternierend angeordnet sind, dergestalt, dass jeweils ein Laufgitter mit einem in Förderrichtung folgenden Leitapparat eine Verdichterstufe bilden, und wobei die Laufgitter auf einem Rotor (11) und die Leitapparate in einem Gehäuse (12) angeordnet sind, welcher Turboverdichter mit mindestens einer Anzapfung (14) bei mindestens einem weiteren Druck, welcher Druck zwischen dem Eingangsdruck und Enddruck liegt, verfügt, an welcher Anzapfung ein Teilstrom eines teilverdichteten Mediums (7) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitapparat der Stufe, die unmittelbar stromauf der Anzapfstelle liegt und/oder mindestens einer stromab der Anzapfung angeordneten Stufe mit einer verstellbaren Geometrie ausgeführt ist.
2. Mehrstufiger Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboverdichter zum Betrieb mit einer konstanten Drehzahl vorgesehen ist.
3. Verfahren zum Betrieb eines Turboverdichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck an der Anzapfstelle durch eine Verstellung des Leitapparates mit verstellbarer Geometrie bei konstanter Drehzahl unabhängig vom Eingangs- und Enddruck und einem Eintrittsvolumenstrom des Fördermediums variiert wird.
4. Verfahren zum Betrieb eines Turboverdichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Drehzahl und variierendem Eingangs- und/oder - enddruck durch eine Verstellung des Leitapparates mit verstellbarer Geometrie der Druck an der Anzapfstelle konstant gehalten wird.
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