DE2351308C3

DE2351308C3 - Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereichs von Axialströmungsmaschinen

Info

Publication number: DE2351308C3
Application number: DE19732351308
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 3000 Hannover Staude
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority date: 1973-10-12
Filing date: 1973-10-12
Publication date: 1981-10-08
Also published as: FR2247630B1; JPS5425242B2; DE2351308A1; GB1476164A; CH574051A5; DE2351308B2; FR2247630A1; JPS5065910A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereiches von mehrstufigen Axialströ- «- mungsmaschinen (\xialverdichtern) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches.

Im allgemeinen wird der Arbeitsbereich von mehrstufigen Axialverdichtern bei DroiseluR*; 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.

Schon relativ früh wurde angeregt, durch die Anordnung eines konzentrischen nicht profilierten Ringes relativ dicht an der Gehäusewand vor einem Laufrad das äußere Rückströmgebiet abzuschirmen, das während des Pumpens auftritt, um so die Lage der Pumpgrenze zu beeinflussen (P ο π ο m a r e f f, A. J.: 5" Axial-Flow Compressors for Gas Turbines. Trans. ASME (1948), S. 298/300, sowie M a r C i η ο w s k i, H.: Experimentelle Untersuchungen in der Lufttechnischen Abteilung Voith Forschung und Konstruktion (1958), Nr. 4. S. 3/4, und die DE-AS 10 64 191, Fig. 2). Nachteilig ist hierbei, daß die Zuström richtung 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 in der DE-AS 10 64 191 fo beschriebenen unprofilierten Ring abreißt und die Ausbildung des »rotating stall« dadurch eher noch verstärkt wird. Die an dem unprofilierten Ring abgerissene Strömung verursacht erhebliche Verluste, so daß sich für den Axiallüfter bzw. Axialverdichter <·? dann wesentlich schlechtere Maschinenwirkungsgrade ergeben.

Es sind auch Vorschläge bekannt, u.a. durch die PE-AS 10 64191, zur Vermeidung von Nabenablösung in Axialströmungsmasehinen in der Nähe der Nabe, sogenannte profilierte Nabenringe anzuordnen. Durch diese Ring kann man die Ausbildung von »rotating stall« nicht vermeiden, da sie nur die Ausbildung von Nabenablösungen beeinflussen. Außerdem kann man mit dem Nabenring keine Änderung der Anströmrichtung zum nachfolgenden Rad erreichen, da die Ringflächen am Ein- und Austritt des Nabenringes gleich sind, so daß ein konvergenter ringförmiger Strömungskanal im Bereich der Gehäusewandung nicht gebildet wird.

Es ist auch seit langer Zeit bekannt, daß die zusätzlichen Belastungen für die Beschaufelung von Axialverdichtern — wie sie beim Pumpen und beim »rotating stall« auftreten — dadurch vermieden werden können, daß man den Arbeitsbereich der Axialverdichter mit Hilfe geeigneter Abblas- bzw. Umblasregelungen der wechselnden Abnahme anpaßt. Man nimmt damit in Kauf, daß beide Verfahren verhältnismäßig unwirtschaftlich sind, da nur ein Teil des geförderten Durchsatzes an den Verbraucher abgegeben wird, während der verbleibende Teil um- bzw. abgeblasen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorstehend aufgeführte Nachteile zu vermeiden und den Arbeitsbereich von mehrstufigen Axialverdichtern bei möglichst kleinen zusätzlichen Strömungsverlusten zu kleineren Fördervolumina hin zu erweitern, indem das Auftreten von »rotating stall« weitgehend vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Kombination folgender Maßnahmen gelöst

Allen Verdichterstufen ist ein Ring zugeordnet, wobei der. zwischen Ring und Gehäusewand gebildete Strömungskanal in Strömungsrichtung konvergiert; jeder Ring ist derart profiliert, daß der Strömungswinkel, den die relative Anströmgeschwindigkeit mit der Strömungsumfangsgeschwindigkeit Kr jede betroffene Schaufel bildet, bei gleichbleibendem Drall erhöht ist, so daß die betroffenen Schaufeln saugseitig derart angeströmt sind, daß die Strömung an den Schaufeln längere Zeit anliegend bleibt

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen zur Maschinenachse konzentrisch angebrachten Ring, der mit der Gehäusewand einen konvergenten Strömungskanal bildet,

Fig.2 die Beeinflussung der Strömung durch den Ring für den Fall, daß er vor einem Laufrad angeordnet ist und

Fig.3 das gemessene Kennfeld eines mehrstufigen Axialverdichters mit und ohne den erfindungsgemäßen Ring.

Da die Eintrittsfläche 5 größer ist als die Austrittsfläche 6 des Kanals 4, wird die Strömung von der Axialgeschwindigkeit 7 auf die Axialgeschwindigkeit 8 beschleunigt. Da der Drall der Strömung durch den Ring 2 nicht verändert wird, bleibt die Umfangskomponente 9 der Absolutgeschwindigkeit 10 erhalten, die der Absolutgeschwindigkeit der Strömung ohne Ring entspricht. Nach vektorieller Addition der Axialgeschwindigkeit 8 und der Umfangskomponente 9 erhält man für den Fall mit Ring die Absolutgeschwindigkeit 11. Mit derselben Umfangsgeschwindigkeit 12 ergeben sich dann für die Schaufelprofile des nachfolgenden Schaufelkranzes die relativen Ansiröniungsgeschwin-

djgkeiten 13 und 14 for die Fälle mit und ohne Ring,

Gemäß Fig,2 ist ferner bei eingebautem Ring der Strömungswinkel 16, den die relative Anströmgeschwindigkeit 14 mit der Umfangsgeschwindigkeit 12 bildet, größer als der Strömungswinkel 15, der sich ohne Ring ergibt. Aufgrund dessen werden die Schaufelprofile im Bereich hinter dem konvergenten Kanal 4 gegenüber der Auslegung saugseitiger angeströmt Dadurch wird die aerodynamische Belastung, das heißt, die Strömungsumlenkung des Profils, im äußeren Be- _f0 reich 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 Ringkanal 4 so lange mit kleiner werdenden Strömungswinkeln 16 angeströmt, bis die Strömung an den Profilen abreißt und die Pumpgrenze erreicht ist

Bei dem erfindungsgemäßen Ring handelt es sich um einen profilierten Ring, der mit der Gehäusewand einen konvergenten Kanal bildet Mit dem Ring 2 wird 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 die 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.

Zur Ermittlung des Kennfeldes gemäß F i g. 3 wurden die »rotating stall«-Grenzen über die Laufschaufelschwingungen des ersten Laufrades mit Hilfe einer Telemetrieanlage festgestellt. Gemäß F i g, 3 werden die »rotating s*aII«-Grenzen mit einem vor dem ersten Laufrad eingebauten Ring bei Nenndrehzahl um 9% des minimalen Ansaugvolumens nach links verschoben. Diese Wirkung läßt sich durch eine aerodynamische Optimierung des verwendeten Ringes noch 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 auftritt Der Ring verhindert das periodische Abreißen bis zur Pumpgrenze.

Außerdem haben weitere Messungen an einem mehrstufigen Axialverdichter ergeben, daß die im allgemeinen relativ stark ausgebildete Hysterese für das Auftreten und Verschwinden von »rotating stall« bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ringes nicht mehr vorhanden ist Der Einsatz des Ringes, der die Ausbildung von »rotating stall« nahezu ganz verhindert, erlaubt den Sicherheitsabstand zwischen der einzustellenden Abblasgrenze und der »rotatl·'.# stalk-Grenze bzw. Pumpgrenze so zu verringern, daß der nutzbare Arbeitsbereich dadurch wesentlich vergrößert wird. Die Wirtschaftlichkeit für den Betrieb von Axialverdichtern wird auf diese Weise nennenswert erhöht

Es hat jich weiterhin gezeigt daß der Gesamtdruck hinter dem Verdichter bis zur verschobenen »rotating stallw-Grenze bzw. Pumpgrenze noch ansteigt so daß der durch die Verschiebung der »rotating stall«-Grenze bzw. Pumpgrenze gewonnene Arbeitsbereich für den Axialverdichter auch voll genutzt werden kann. Zugleich wird die Betriebssicherheit von Axialverdichtern durch die Vermeidung von Anregungen zu Schaufelschwingungen, wie sie durch den »rotating stall« hervorgerufen werden, wesentlich erhöht

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Erweiterung des Arbeitsbereiches von mehrstufigen Axialströmungsmaschinen (Axialverdichter) mit Laufschaufel· und Leitschaufelkränzen sowie einem vor dem ersten Schaufelkranz angeordneten, zur Maschinenachse konzentrischen Ring, dessen äußere Ringfläche mit der Gehäuseinnenwand einen ringförmigen Strömungskanal bildet, dadurch gekennzeichnet,
daß allen Verdichterstufen ein derartiger Ring (2) zugeordnet ist,

daß der gebildete Strömungskanal in Strömungsrichtung konvergiert,

und daß jeder Ring (2) derart profiliert ist, daß der Strömungswinkel (16) den die relative Anströmgeschwindigkeit (14) mit der Strömungs-Umfangsgeschwindigkeit (12) für jede betroffene Schaufel bildet, bei gleichbleibendem Drall erhöht ist, so daß die betroffenen Schaufeln saugseitig derart angeströmt sind, daß die Strömung an den Schaufeln längere Zeit anliegend bleibt