DE2458273A1

DE2458273A1 - Mehrstufiger radialverdichter

Info

Publication number: DE2458273A1
Application number: DE19742458273
Authority: DE
Inventors: Sven-Olof Kronogaard
Original assignee: United Turbine AB and Co KG
Current assignee: United Turbine AB and Co KG
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1976-06-16

Description

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United Turbine AB & Co Kommandifbolag, Malmö/Schweden

!■lehrstufiger Radialverdichter

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Radialverdichter.

Ein zentrifugal fördernder Radialverdichter ist ein einfaches und verläßliches Kaschinenelement, v-enn er als einstufiger Yerdichter arbeitet, und wird weithin in Gasturbinenanlagen, Turboladern od. dgl. eingesetzt, wo ein Verdichtungsverhältnis von 4:1 bis 6:1 ausreicht. Um höhere Verdichtungsverhältnisse erreichen zu können, müssen zwei oder mehrere solcher Zentrifugal-Verdichter hintereinander geschaltet werden, was jedoch den Aufbau des Verdichters erheblich kompliziert und zu unerwünschten Erhöhungen des Gewichts und des Raumbedarfs führt. Die Erhöhung des Raumbedarfes ist in erster Linie eine Folge der erforderlichen Rohrkrümmer zwischen den einzelnen Verdichterstufen.

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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, eine oder mehrere axiale Verdichtungsstufen vor die Zentrifugalstufe zu schalten, was hinsichtlich einer Verminderung von Kosten und Gewicht günstig sein kann. Um jedoch irgendeinen merklichen Druckanstieg mit wenigen Axialstufen zu erreichen, ist es erforderlich, diese mit einem mittleren Durchmesser auszuführen, der erheblich größer als der Außendurchmesser des Verdichtereinlasses ist. Dies führt zu hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Zentrifugalkräften in den Axialstufen und zu einer über den Radius ungleichmäßigen Luftverteilung am Einlaß der Zentrifugalstufe; auch die Mach-Zahl ist über den Radius des Einlasses des Zentrifugal-Verdichters nicht konstant. Gleichzeitig wächst die Baulänge der mehrstufigen Verdichtereinheit, da die Länge der Kanäle zwischen den axialen und radialen Stufen des Verdichters sich vergrößert.

In vielen Anlagen, in denen ein Verdichtungsverhältnis zwischen 6:1 und 12:1 erforderlich ist, besteht daher ein Bedürfnis nach einem einfacher aufgebauten und kompakter bauenden Verdichter mit hohem Wirkungsgrad. Das hohe Verdichtungsverhältnis und der breite Betriebsbereich eines zweistufigen Zentrifugal-Verdiclters wären dabei anzustreben, kombiniert mit der kompakten Bauweise und dem hohen Wirkungsgrad eines einstufigen Axialverdichters vor einem Zentrifugalverdichter. Insbesondere ein breiter Betriebsbereich kann jedoch bislang nur mit zweistufigen Zentrifugal-Verdichtern erzielt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen mehrstufigen Radialver-

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dichter zu schaffen, der ne"ben einem "breiten Betriebsbereich und einem ausreichend hohen Verdichtungsverhältnis bei kompakter Bauweise auch einen guten Wirkungsgrad erzielt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine zentripetale Eingangsstufe und eine zentrifugale Endstufe mit scheibenförmigem Läufer vorgesehen sind, die auf einer gemeinsamen Welle laufen, wobei der Außendurchmesser des Läufers der Eingangsstufe denjenigen des Auslaßbereiches der Endstufe nicht übersteigt und die Luftströmung zwischen den beiden Stufen in einem radial inneren Bereich um die Welle geführt ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Ansprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters ..in einem Achsschnitt,

Fig. 2 einen Normalschnitt durch die- Beschaufelung der Eingangs stufe, . . .

Pig. 3 eine zweite Äusführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer Pig. 1 entsprechenden Darstellung und

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichters in einer Fig. 1 und 3 entsprechenden Barstellung.

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Bei dem in Fig. 1 dargestellten zweistufigen Verdichter wird die Endstufe durch einen Zentrifugalverdichter 10 gebildet, der in der üblichen Weise einen scheibenförmigen Läufer mit im wesentlichen radial verlaufenden Laufschaufeln aufweist, die an einer Seite des Läufers frei enden,- wobei ein radial innerer Einlaß und am Umfang des Läufers ein Auslaß für die Luft entsteht. Auf derselben Welle 11 wie der Zentrifugal-Verdichter 10 ist ein Zentripetalverdichter 12 gelagert, der einen scheibenförmigen Träger für die Beschaufelung 13 aufweist, die am Außenumfang des Trägers befestigt ist.

Die Laufschaufeln der Beschaufelung 13 erstrecken sich im wesentlichen in axialer Richtung vom Rand des Trägers weg und werden zu beiden Seiten von zwei Tragringen 13b und 13c gehalten, so daß die Beschaufelung- 13 mit den Tragringen 13b und 13,c sich nach Art eines Auslegers freitragend vom Rand des Trägers aus in axialer Richtung erstreckt, wobei die Verbindung mit dem Träger durch ein Federstück 13a hergestellt ist. Die Laufschaufeln der Beschaufelung 13 sind in radialer Richtung kurz ausgeführt, weisen also ein sehr geringes Verhältnis zwischen ihrem Radius an der radial äußeren Einlaßseite und ihrem Radius an der radial inneren Auslaßseite auf, so daß die Zentrifugalwirkung gegenüber der aerodynamischen Wirkung der Laufschaufeln zurücktritt.

Der Auslaß 14 des Zentripetal-Verdichters 12 ist innerhalb des beiden Verdichterstufen gemeinsamen Gehäuses 15 vorgesehen

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und v/eist Leitschaufeln 20 auf. In diesem Bereich des Gehäuses ist die Welle 11 drehbar gelagert. Wie die Zeichnung veranschaulicht, strömt die Luft in der ersten Yerdichterstufe radial nach innen und in der zweiten Verdichterstufe radial nach außen und wird zwischen beiden Stufen weich umgelenkt, so daß der Strömungskanal im achsparallelen Schnitt einem U ähnelt.

Der Zentripetal-Verdicht er 12 ist mit in Achsrichtung verlaufenden, einstellbaren Einlaßleitschaufeln 16 versehen, während der Zentrifugal-Verdichter 10 einstellbare Auslaßleitschaufeln 17 hat. Die Auslaßleitschaufeln 17 des Zentrifugal-Verdicht ers 10 sind erforderlich, wenn lediglich sehr hohe Verdichtungsverhältnisse erzielt werden sollen und/oder wenn ein sehr breiter Betriebsbereich anzustreben ist. Stellglieder 18 und 19 sind für die Einstellung der einstellbaren Leitschaufeln 16 und 17 vorgesehen, wobei die Stellglieder und 19 in der veranschaulichten Weise durch ein gemeinsames Eetätigungsglied wie eine gemeinsame Stellstange betätigt werden können. Dadurch, daß die Einlaßleitschaufeln 16 und die Auslaßleitschaufeln 20 des Zentripetal-Verdichters 12 über die gesamte Länge der betreffenden Schaufeln mit gleichem Profil ausgebildet werden, ist es möglich, bei wechselnden Betriebsbedingungen ideale Strömungsbedingungen aufrechtzuerhalten und über die gesamte Länge der Schaufel die gleiche I-Iach-Zahl zu erhalten, was mit bekannten mehrstufigen Zentrifugal-Verdicht ern nicht möglich ist.

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In Fig. 1 ist weiterhin eine Anordnung zur Einspeisung einer Flüssigkeit in den Verdichter während des Betriebs dargestellt, beispielsweise zum Waschen des Verdichters und/oder zur Ermöglichung einer kurzfristigen Leistungserhöhung bei Gasturbinen zum Fahrzeugantrieb oder für industrielle Zwecke. Die Schwenkwellen wenigstens einiger der Einlaßleitschaufeln sind hierzu mit einer axialen Zulaufbohrung 16a versehen. Am Verdichtergehäuse 15 ist ein Ringkanal 16b vorgesehen, der von einer Speiseleitung 16c aus versorgt wird. Die Leitschaufeln 16 weisen insbesondere als Schlitze ausgebildete Austrittsöffnungen I6d auf, so daß Flüssigkeit im Bedarfsfalle zu jedem beliebigen Zeitpunkt in den Luftstrom gesprüht oder gespritzt werden kann.

In Fig. 2 ist ein ITormalschnitt durch die Beschaufelung des Zentripetal-Verdichters 12 dargestellt, wobei zwei unterschiedliche Stellungen der einstellbaren Einlaßleitschaufeln 16 veranschaulicht sind. In Abhängigkeit von der Stellung der Einlaßleitschaufeln 16 liefert der Zentripetal-Verdichter 12 Luft interschiedlichen Druckes, wobei es sogar möglich ist, den Verdichter als Turbine laufen zu lassen, was zu einer Verminderung des insgesamt geförderten Luftvolumens, des Verdichtungsverhältnisses und insbesondere der Leistungsaufnahme des Verdichters mit sich bringt.

Der Außendurchmesser des Zentripetal-Verdichters 12 wird deut lich kleiner gewählt als der Außendurchmesser des Zentrifugal verdichters 10, vorzugsweise weniger als der Mittelwert zwi-

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sehen dem Auslaßdurehmesser und dem äußeren Einlaßdurchmesser.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ebenfalls ein Zentrifugalverdichter 10 als Endstufe vorgesehen. Der Zentripetal-Verdienter 22 bei diesem Ausführungsbeispiel ist derart gebaut, daß seine Beschaufelung 22 und die radiale Innenwand 23 des Strömungskanals im Bereich seines Auslasses starr mit dem Läufer verbunden oder Teil desselben sind. Dadurch wird es leichter, den Einlaßdurchmesser des Zentripetal-Verdichters 21 zu verringern, so daß dieser im Einzelfall genau so groß sein kann wie der äußere Einlaßdurchmesser des Zentrifugal-Verdichters 10.

Im mittleren Bereich des Strömungsweges der Luft zwischen dem Zentripetal-Verdienter 21 und dem Zentrifugalverdichter 10 sind zusätzliche Leitschaufeln 25 vorgesehen, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel unmittelbar dem Einlaß des Zentrifugal-Verdichters 10 vorgeordnet sind und als dessen Einlaßleitbeschaufelung wirken. Der diffusorartig erweiterte Auslaß des Zentrifugal-Verdichters 10 ist, wie auch im Falle der anderen Ausführungsbeispiele, mit einer einstellbaren oder festen Auslaßleitbeschaufelung versehen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist zwischen dem Zentripetal-Verdicht er 21 als Einlaßstufe und dem Zentrifugalverdichter 10 als Endstufe ein auf der allen Verdichterläufern gemeinsamen Antriebswelle 11 laufender Axialverdichter 30 als Zwischenstufe eingeschaltet, dessen Läufer zwischen zwei festen Statorringen 31 und 32 umläuft. Zur Grenzschichtabsaugung sind im Bereich der Statorringe 31 und 32 Kanäle 33 und 34 vor-

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gesehen. Der Durchmesser der Axialstufe überschreitet nicht den Außendurchmesser des Einlasses des Zentrifugal-Verdichters 10. Der Strömungsweg der Luft im Bereich des Axialverdichters 30 wird durch eine radiale Außenwand im wesentlichen konstanten Durchmessers und durch eine radiale Innenwand "begrenzt, deren Durchmesser in Richtung auf den Einlaß des Zentrifugal-Verdichters 10 hin zunimmt.

Das Vorderende der Welle 11 trägt wie auch im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 den Läufer des Zentripetal-Verdichters 21, dessen Beschaufelung 22 mit Einlaßleitschaufeln 16 zusammenarbeitet. Wenn die einstellbaren Einlaßleitschaufeln 16 weitgehend geschlossen sind (Verengung der Strömungswege durch Verschwenken der Leitschaufeln 16 im Sinne der gestrichelten Darstellung gemäß Fig. 2) so dreht die Luft im wesentlichenin der gleichen Richtung wie die Beschaufelung 22 des Läufers und wird in dem Zentripetal-Verdichter 21 überhaupt keine Verdichtung erzielt. Dies führt zu einer Verminderung des Luftgewichtes ohne die üblichen Drosselverluste. Wenn die Drehbewegung der Luft in derselben Richtung verstärkt wird, so arbeitet der Zentripetal-Verdienter 21 nicht mehr als Verdichter, sondern beginnt als Zentripetalturbine zu arbeiten. Diese Möglichkeit ist insbesondere dann von Interesse, wenn bei einer Gasturbine schnelle Leistungsänderungen bei geringen oder ohne Änderungen der Drehzahl angestrebt werden.

Das Ende der Welle 11 ist in einem schwingungsdämpfenden Lager 36 gehalten, welches vorzugsweise mit Luftschmierung betrieben wird und hierzu mit der Hochdruckstufe oder einer

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mittleren Druckstufe des Verdichters verbunden ist.

Bei sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen übersteigt der Durchmesser des Läufers des Zentripetal-Verdichters 12 bzw. 21 nicht den- Durchmesser am Auslaß des Zentrifugal-Verdichters 10, was hinsichtlich der Mach-Zahl und der mechanischen Festigkeit vorteilhaft ist und zu günstigem Strömungsverhalten, einem höheren Wirkungsgrad und einem breiten Betriebsbereich führt.

Wenn keine zu hohen Verdichtungsverhältnisse erforderlich sind und der erforderliche Betriebsbereich nicht allzu breit ist, so kann die Zentripetalstufe mit festen Leitschaufeln oder gegebenenfalls auch ganz ohne Leitschaufeln ausgebildet werden.

Für die Ausführung des Zentripetal-Verdichters 12 bzw. 21 in der Praxis ist ein geeigneter Werkstoff hierfür zu wählen und sind Fragen im Zusammenhang mit den Gestehungskosten, dem Trägheitsmoment, der maximalen Drehzahl und der mechanischen Festigkeit zu klären. Um maximale Festigkeit zu erzielen, sollte die Beschaufelung 13 bzw. 22 des Läufers mit selbsttragenden Endringen versehen werden, die durch das als Membran 13a ausgebildete Federstück gehalten sind.

Das Federstück 13a kann beispielsweise in verschiedenen Musterungen geschlitzt sein, um die erforderliche Federcharakteristik zu erzielen, und kann an der Tragscheibe des Läufers

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beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißung befestigt werden. Im Falle hoher Drehzahlen können die Tragringe 13b und 13c aus Verbundstoff gefertigt werden, mit eingebetteten Fasern oder anderen Verstärkungselementen. Wenn ein geringes Trägheitsmoment erforderlich ist, so kann die Beschaufelung und gegebenenfalls auch die Trägerscheibe des Rotors aus Leichtmetall, Titan, Kohlefasern, Glasfasern, Keramik od. dgl. hergestellt werden und einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden, um Verschleiß durch im Luftstrom mitgeführte Verunreinigungen zu vermindern.

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

J1.)Mehrstufiger Radialverdichter, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentripetale Eingangsstufe (Zentripetal-Verdichter 12 bzw. 21) und eine zentrifugale Endstufe (Zentrifugal-Verdichter 10) mit scheibenförmigem Läufer vorgesehen sind, die auf einer gemeinsamen Welle (11) laufen, wobei der Außendurchmesser des Läufers (13, 22) der Eingangsstufe (Zentripetalverdichter 12 bzw. 21) denjenigen des·Auslaßbereiches der Endstufe (Zentrifugal-Verdichter 10) nicht übersteigt und die Luftströmung zwischen den beiden Stufen in einem radial inneren Bereich um die Welle (11) geführt ist.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal zwischen den beiden Verdichterstufen feste Leitschaufeln (20, 25) vorgesehen sind.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß der zentripetalen Eingangsstufe einstellbare Leitschaufeln (16) vorgesehen sind.
4. Verdichter nach Anspruch 2 oder 3 mit festen Auslaßleit- ' schaufeln unmittelbar stromab der Beschaufelung der zentripetalen Eingangsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßleitschaufeln (16), die Laufschaufeln der Verdichterbe-

- schaufelung (13) und die Auslaßleitschaufeln (20) je mit dem - gleichen Profil über die gesamte Länge der betreffenden Schau-

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fein ausgeführt sind.
5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 his 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer der zentripetalen Eingangsstufe eine der Innenwände für den' Strömungskanal zum Einlaß des Zentrifugal-Verdicht ers (10) hin bildet.
6. Verdichter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch feste Leitschaufeln (25) im Strömungskanal unmittelbar stromauf des Einlasses des Zentrifugal-Verdichters (10).
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet,, daß zwischen der zentripetalen Eingangsstufe und der zentrifugalen Endstufe eine Axialverdichterstufe (30) vorgesehen ist.
8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialverdichterstufe (30) mit festen Einlaß- und Auslaßleitschaufeln (Statorringe 31 und 32) versehen ist.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Leitbeschaufelungen (Statorring 31 bzw. 32) mit Mitteln zur Grenzschichtentfernung versehen ist.
10. Verdichter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Luft durch die Axialverdichterstufe (30) durch eine Außenwand mit im wesentlichen konstanten Durchmesser und durch eine Innenwand begrenzt ist,

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deren Durchmesser in Richtung auf den Einlaß des Zentrifugal-Verdichters (10) hin zunimmt.
11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß- der Durchmesser des Läufers des Zentripetal-Verdichters (12; 21) geringer als der Mittelwert zwischen dem Durchmesser am Auslaß und dem Außendurchmesser am Einlaß des Zentrifugal-Verdichters (10) ist.
12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige der einstellbaren Leitschaufeln (16) axiale Zulaufbohrungen (16a) und damit in Verbindung stehende . Austrittsöffnungen (I6d), wie Schlitze, aufweis;en,die mit einem Ringkanal (i6b) am Umfang des Verdichters zur Einspeisung einer Flüssigkeit zum Waschen des Verdichters oder zur kurzfristigen Leistungserhöhung in Verbindung stehen.
13. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (11) an ihrem Vorderende in einem
schwingungsdämpfenden Lager (36) läuft, welches vorzugsweise durch Druckluft aus dem Verdichter geschmiert ist.

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