DE2351308A1

DE2351308A1 - Einrichtung zur erweiterung des arbeitsbereichs von axialverdichtern

Info

Publication number: DE2351308A1
Application number: DE19732351308
Authority: DE
Inventors: Karl Prof Dr Ing Bammert; Rudolf Dipl Ing Staude
Original assignee: Gutehoffnungshutte Sterkrade AG
Current assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority date: 1973-10-12
Filing date: 1973-10-12
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE2351308B2; FR2247630B1; DE2351308C3; JPS5065910A; GB1476164A; CH574051A5; JPS5425242B2; FR2247630A1

Description

Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereichs von Axialverdichtern.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereichs-von ein- und mehrstufigen Axialverdichtern. · ^:

Im allgemeinen wird der Arbeitsbereich von ein- und mehrstufigen Axialverdichtern bei Drosselung mit abnehmendem Massendurchsatz durch das sogenannte Pumpen begrenzt. Im Axialverdichter ist die Strömung dann vollständig abgerissen. Ferner ist bekannt, daß Axialverdichter vor Erreichen der Pumpgrenze in einem Gebiet arbeiten, in dem die Strömung an den Schaufeln partiell abreißt. Es bilden sich dann sogenannte rotierende Abreißzellen "rotating stall" aus. Durch das Auftreten von "rotating stall" werden die entsprechenden Axialverdichterschaufeln unter Umständen zu Schwingungen angeregt, die zum Schaufelbruch führen können.

TJm diese Auswirkungen des "rotating stall" zu vermeiden, wurde empfohlen, in die gefährdeten Schaufelkränze Bindebzw. Dämpfungsdrähte einzubauen. Diese Drähte verbinden die einzelnen Schaufeln eines Schaufelkranzes in TJmfangsrichtung miteinander (Läszkowski, R.: Schaufelkränze mit losen Dämpfungsdrähten. Energetyka 2 (1973),.

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40). Iiire Aufgabe ist es, durch "rotating stall" ange-. regte Schaufelschwingungen so weit wie möglich zu dämpfen bzw. ganz auszuschließen, um so Schwingungsbrüche für die Schaufeln zu vermeiden, lion Nachteil ist, daß die Dämpfungsdrähte zusätzliche Strömungswiderstände darstellen. Für mehrstufige Axialverdichter ergeben- sich dann bis zu 5$- Punkte niedrigere Maschinenwirkungsgrade.

Außerdem v/urde von gleicher Seite empfohlen, zur Vermeidung von Schaufelschwingungen in Axialverdichtern Deckbänder einzusetzen (Garter, A.D.S. and D.A. Kilpatrick: The Self- exited Vibration of Axial Flow Compressor Blades. -Proc. Inst. Mech. Engrs. Vol. 171 (1957), S. 260). Während die Verwendung von Deckbändern für Leiträder bekannt ist, kommen Deckbänder für die Laufräder von Axialverdichtern bei den heute üblichen Umfangsgeschwindigkeiten wegen der angreifenden Fliehkräfte jedoch nicht in Betracht. Mit Binde- und Dämpfungsdrähten bzw. mit Deckbändern lassen sich durch den "rotating stall"- hervorgerufene Schaufelschwingungen vermeiden, ohne jedoch die Ausbildung des "rotating stall" dadurch selbst zu beeinflussen.

Schon relativ früh wurde angeregt, durch die Anordnung eines konzentrischen nicht profilierten Ringes relativ dicht an der G-ehäusewand vor einem Laufrad das äußere Rückströmgebiet abzuschirmen, das während des Pumpens auftritt, um so die Lage der Pumpgrenze zu beeinflussen (Ponomareff, A.J.: Axial-Flow Compressors for Gas Turbines.

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Trans. ASME (194-8), S. 298/ 300 sowie - Marcinowski, H.: Experimentelle Untersuchungen in der Lufttechnischen Abteilung. Voith Forschung und Konstruktion (1958) Nr. 4, S. 3/4). Nachteilig ist hierbei, daß-die Zuströmrichtung zum nachfolgenden Laufrad hin nicht geändert wird, so daß das Auftreten von "rotating stall" dadurch nicht vermieden werden kann.. Es muß vielmehr davon ausgegangen werden, daß die Strömung an dem unprofilierten Ring abreißt und die Ausbildung des ."rotating stall" dadurch eher noch verstärkt wird. Außerdem verursacht der unprofilierte Eing erhebliche Verluste, so daß sich für den Axialverdichter dann ein wesentlich schlechterer Maschinenwirkungsgrad ergibt.

Andererseits werden zusätzliche Belastungen für die Beschaufelung von Axialverdichter*!- wie sie beim Pumpen und beim "rotating stall" auftreten - vermieden, indem man den Arbeitsbereich der Axialverdichter mit Hilfe geeigneter Abblas- bzw. Umblasregelungen entsprechend einschränkt. Man nimmt dabei in Kauf, daß beide Verfahren verhältnismäßig unwirtschaftlich sind, da nur ein Teil des geförderten Durchsatzes an den Verbraucher abgegeben

wird, während der verbleibende Sleil um- bzw. abgeblasen wird. '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorstehend aufgeführte Nachteile zu vermeiden und den Arbeitsbereich von Axialverdichtern bei möglichst kleinen zusätzlichen Strömungsverlusten mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung zu kleineren Pördervolumina hin zu erweitern. Dabei soll

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das Auftreten von "rotating stall" weitgehend vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, da 13 vor einer oder mehreren Schaufelreihen, die aus Verzögerungsgittern bestehen, jeweils ein zur Maschinenachse 1 konzentrischer profilierter Ring 2 angebracht ist, der derart ausgebildet ist, daß durch die Gehäusewand 3 und die äußere Fläche des konzentrischen profilierten Rings 2 ein in Strömungsrichtung konvergenter ringförmiger Strömungskanal 4 gebildet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung beschrieben, ohne sie einzuengen. Figur 1 zeigt vor den Schaufelreihen,' die aus Verzögerungsgittern bestehen, einen zur Maschinenachse 1 konzentrisch angebrachten profilierten Ring 2, der derart ausgebildet ist, daß er mit der Gehäusewand 3 einen in Strömungsrichtung konvergenten ringförmigen Strömungskanal 4 bildet. Anhand von Figur 2 wird die Beeinflussung der Strömung durch den konzentrischen profilierten Ring 2 für den Fall erläutert, daß er beispielsweise vor einem Laufrad angeordnet ist. Da die Eintrittsfläche 5 größer ist als die Austrittsfläche 6 des Strömungskanals 4» wird die Strömung von der Axialgeschwindigkeit 7 auf die Axialgeschwindigkeit 8 beschleunigt. Da der Drall der Strömung durch den konzentrischen profilierten Ring 2 nicht verändert wird, bleibt die Umfangskomponente 9 der Absolutgeschwindigkeit 10 erhalten, die der Absolutgeschwindigkeit der Strömung ohne diesen Ring entspricht. Nach vektorieller Addition der Axialgeschwindigkeit 8 und der Umfangskomponente 9 er-

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erhält man dann für den Fall mit diesem Ring die Absolutgeschwindigkeit 11, Mit derselben Umfangsgeschwindigkeit 12 ergeben sich dann für die Schaufelprofile des nachfolgenden Schaufelkranzes die relativen Anströmungsgeschwindigkeiten 13 und 14 für die Fälle mit und ohne diesen Ring. Der Figur 2 entnimmt man ferner, daß bei einem eingebauten derartigen Ring der Strömungswinkel 16, den die,relative Anströmgeschwindigkeit 14 mit der Umfangsgeschwindigkeit 12 bildet, großer als der Strömungswinkel 15 ist, der sich ohne diesen Ring ergibt. Aufgrund dessen werden die Schaufelprofile im Bereich hinter dem konvergenten ringförmigen Strömungskanal 4 gegenüber der Auslegung saugseitig angeströmt. Dadurch, wird die aerodynamische Belastung im äußeren Bereich des "jeweiligen Schaufelkranzes verringert und die Ausbildung des "rotating stall", die von der saugseitigen Ablösung der Strömung an den Profilen ausgeht, vermieden. Bei Drosselung des Axialverdichters nimmt die Axialgeschwindigkeit 8 dann ab. Die Schaufelprofile werden in der Zone hinter dem konvergenten ringförmigen Strömungskanal 4 so lange mit kleiner v/erdenden Strömungswinkeln 16 angeströmt, bis die Strömung an den- Profilen abreißt und die Pumpgrenze erreicht ist.

Xm Gegensatz zu dem durch, den Stand der Technik bekannten Ring handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen, konzentrisch angebrachten Ring um einen profilierten Ring, der mit der Gehäusewand einen konvergenten ringförmigen Strömungskanal· bildet. Während der bislang bekannte Ring an der Pumpgrenze die Rückströmung im wandnahen Bereich verhindern soll, wird mit dem erfindungsgemäßen

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Ring 2 in den äußeren Zonen der Anströmwinkel 16 vergrößert, um so ein. vorzeitiges Abreißen der Strömung zu vermeiden.

Die Erweiterung des Arbeitsbereiches mit Hilfe des der Erfindung zugrunde liegenden Ringes beruht darauf, daß di.e aerodynamische Belastung im äußeren Bereich des jeweiligen Schaufelkranzes durch den Ring verringert wird, so daß bei Drosselung des Verdichters die Strömung an den Schaufeln später ablöst als im Fall ohne Ring.

Das Ergebnis von Messungen, die mit und ohne den erfindungsgemäßen Ring an einem mehrstufigen Axialverdichter durchgeführt wurden, zeigt Figur 3. Es ist das gemessene Kennfeld dargestellt. Die "rotating stall"-Grenzen wurden über die Laufschaufelschwingungen des ersten Laufrades mit Hilfe einer Telemetrieanlage festgestellt. Der Figur 3 entnimmt man, daß die "rotating stall"-G-renze mit einem vor dem ersten Laufrad eingebauten Ring bei Nenndrehzahl um 9fo des minimalen Ansaugvolumens nach links verschoben wird. Diese Wirkung läßt sich durch die zusätzliche Anordnung von Ringen in weiteren Axialverdichterstufen sowie durch eine-aerodynamische Optimierung des verwendeten Ringes nocxi verstärken. Außerdem haben die experimentellen Untersuchungen ergeben, daß die Strömung in der Nähe der Pumpgrenze durch den Ring soweit stabilisiert wird, daß der "rotating stall" nicht mehr nur periodisch auftritt, sondern nach seinem Auftreten durch die Ringkanalströmung beeinflußt auch von selbst wieder verschwinden

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kann. Auf diese Weise werden durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Hinges Schwingungsbrüche von Axialverdichterschaufeln infolge "rotating stall" vermieden. Ferner wurde festgestellt, daß bei eingebautem Ring, eine Hysterese für das Auftreten des "rotating stall" kaum noch vorhanden ist. Außerdem zeigte sich, daß der Gesamtdruck hinter dem Verdichter bis zur verschobenen "rotating stall"~Grenze noch ansteigt, so daß der durch die Verschiebung der "rotating stall"-Grenze gewonnene Arbeitsbereich für den Axialverdichter auch voll genutzt werden kann.

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Claims

Patentanspruch;

Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereiches von
ein- und mehrstufigen Axialverdichtern, da durch ge kennzeichnet , daß vor einer oder mehreren Schaufelreihen, die aus Verzögerungsgittern "bestehen, jeweils ein zur Maschinenachse (1) konzentrischer profilierter Eing (2) angebracht ist, der derart ausgebildet ist, daß durch die Gehäusewand (3) und die äußere Fläche des konzentrischen profilierten Eings (2) ein in Strömungsrichtung konvergenter ringförmiger Strömungskanal (4) gebildet wird.

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