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AXIALVERDICHTER
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Verdichterbaus
und genauer auf Axialverdichter, vorzugsweise für Gasturbinenanlagen.
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Am vorteilhaftesten kann diese Erfindung bei leistungsfähigen Gasturbinenanlagen
verwendet werden, für die ein großer Luftverbrauch, z.B. von 500 kg/s bei einer
Drehgeschwindigkeit der Verdichterwelle von 3000 U/min und normalen atmosphårischen
Bedingungen während des Ansaugens, erforderlich ist.
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Es ist ein Axialverdichter bekannt /s. Artikel von Friedrich, R.
"Stand und Entwicklungstendenzen im Gasturbinenbau", Mitt.VGB, 1972, 52, Nr. 3,
S. 196...204/. In Verdichtergehäuse sind in Strömungsrichtung des zu verdichtenden
Mittels ein Eintrittsleitapparat und sechs zehn Stufen vorgesehen. Jede Stufe enthält
ein Laufrad und einen unbeweglichen Leitapparat, dessen Schaufeln auf übliche Weise
profiliert sind. Die Laufräder und Leitapparate bilden den Strömungsteil, der in
Strömungsrichtung
konstanten Innendurchmesser und langs des Stroms
sich vermindernden Außendurchmesser besitzt.
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Der beschriebene Verdichter dient zum Zuleiten von 333 kg/s Luft
bei elner Laufraddrehgeschwindigkeit von 3000 U/min fur elne Gasturbinenanlage VF-93
mit 56x10³ kW Leistung. Die Verwendung eines Strömungsteils und einer Beschaufelung
dieses Typs ermöglicht es nicht, die Wirtschaftlichkeit des Verdichters bei vergrößerter
Leistung desselben zu erhöhen.
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Bs ist beispielsweise der zur Zeit von der Firma Westinghouse entworfene
Verdichter für eine Gasturbinenanlage W1101 mit einem tuftverbrauoh von ca. 400
kg/s der größtmögliche Verdichter dieses Typs.
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Es ist auch der Axialverdichter eines Flugzeug-Strahltriebwerks CF-700-1
der Firma General Electric bekannt. Im Verdichtergehäuse sind in Strömungsrichtung
des zu Verdichtenden Mittels ein Eintrittsleitapparat und acht Stufen angeordnet.
Jede Stufe hat ein Laufrad und einen unbeweglichen Leitapparat, dessen Schaufeln
auf übliche bekannte Welse profiliert sind. Die Laufräder und Leitapparate bilden
den Strömungsteil, der einen in Strömungsrichtung monoton anwachsenden Innendurchmesser
und elnen konstanten Außendurchmesser hat. Die Verwendung dieser Verdichter in ortsfesten
Gasturbinentriebwerken ist jedoch mlt schwerwiegenden konstruktiven Änderungen verbunden,
deren Ziel in der Vergrößerung der Betriebszeit des Verdichters und der Verbesserung
seiner Wirtschaftlichkeit
besteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elnen Axialverdichter zu
schaffen, bei dem die Schaufeln des Leitapparats so ausgeführt sind, daß sie beste
Übereinstimmung der geometrischen Schaufelform mit der wirklichen Strömung des Zu
verdichtenden Mittels gewährleisten.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß belm Axlalverdichter,
in dessen Gehäuse in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mittels ein Eintrittsleitapparat
und mindestens eine Stufe angeordnet sind, weiche ein Laufrad und einen beschaufelten
Leltapparat enthält, die den Strömungsteil bilden, welcher in Strömungsrichtung
monoton anwachsenden Innendurchmesser hat, erfindungsgemäß jede Schaufel des Leitapparats
mindestens einer StuSe einen Einstellwinkel der Profile jedes der Endquerschnitte,
die senkrecht zur Schaufelachse stehen, besitzt, welcher in bezug auf den Vektor
der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads kleiner als der Einstellwinkel des Profils
eines mittleren Querschnitts ein und derselben Schaufel, der senkrecht zur Schaufelachse
steht, in bezug auf den Vektor der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads ist.
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Eine solche Ausführung der Leitapparatschaufeln gewahrleistet daß
die geometrische Schaufelform mit der wirklichen Strömung des zu verdichtenden Mittels
übereinstimmt. Dles hat zur Folge, daß der Strom die Laufradschaufeln auf günstigste
weise umfließt.
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Hierbei werden Energieverluste bedeutend vermindert, weiche durch
Abreißen des Stroms von der Schaufeloberfläche hervorgerufen
werden,
und folglich wird der Wirkungsgrad jeder Stufe sowle des gesamten Verdichters verbessert.
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Andernfalls, d.h. wenn die Schaufelform mit dem Charakter der Geschwindigkeitsverteilungen
nicht übereinstimmt, reißt der Strom an den Schaufelenden ab, wobei dle Energieverluste
des Stroms wachsen und hierdurch der Wirkungsgrad bedeit end vermindert wird.
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Der erfindungsgemäß ausgeführte Axialverdichter hat einen Wirkungsgrad,
der um 1,5...2% über dem der bekannten Axialverdichter liegt, welche z.B. für die
Luftversorgung von leistungsfähigen Gasturbinenanlagen bestimmt sind. Daher können
Leistung und Wirtschaftlichkeit der letzteren erhöht und dle Außenmaße von le ist
ungsfah'igen Gasturbinenanlagen vermindert werden.
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Andere Ziele und Vorbelle der Erfindung werden durch das nachstehende
Ausführungsbeispiel und die beiliegenden Zeichnungen verständlicher; es zeigt Fig.
1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Axialverdichter,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Leitapparatschaufel, Seitenansieht; Fig. 3...5 dle Einstellwinkel
der Profile der Querschnitte der erfindungsgemäßen Schaufel und Fig. 6 ein Schaubild
der Änderung der Einstellwinkel α der Querschnittprofile der erfindungsgemäßen
Leitapparatschaufeln, wobei die Querschnitte senkrecht zur Schaufelachse stehen.
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Innerhalb des Gehäuses 1 /Fig. 1/ eines erfindungsgemäß ausgeführten
Axialverdichters
sind in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mittels, z.B, Luft, ein Eintrittsleitapparat
2 und zwölf Stufen 3 angeordnet, die eine neunfache Luftverdichtung sicherstellen.
Jede Stufe 3 hat ein Laufrad 4 und einen Leitapparat 5 mit Schaufeln 6. Gehäuse
1, Leitapparat 2 und zwölf Verdlchtungsstufen 3 bilden einen Strömungsteil 7, welcher
in Richtung der Luftströmung einen monoton anwachsenden Innendurchmesser und konstanten
Außendurchmesser besitzt.
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Auf Fig. 2 ist eine Schaufel 6 des Leitapparats 5, z.B.
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der zweiten Stufe, mit Endquerschnitten b-b und d-d sowie einem mittleren
Querschnitt c-c abgebildet. Profil 8 /Fig. 3/ des Endquerschnitts b-b, der senkrecht
zur Achse a-a /Fig. 2/ der Schaufel 6 steht, hat in bezug auf den Vektor U /Fig.
3/ der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads 4 /Fig. 1/ einen Einstellwinkel von 540
/Fig. 3/. Profil 9 /Fig. 4/ des mittleren Querschnitts c-c, der senkrecht zur Achse
a-a /Fig. 2/ der Schaufel 6 steht, hat in bezug auf den Vektor u /Fig. 4/ der Umfangsgeschwindigkeit
des Laufrads 4 /Fig. 1/ einen Einstellwinkel von 57° 30' /Fig. 4/. Profil 10 /Fig.
5/ des Endquerschnitts d-d, der senkrecht zur Achse a-a /Fig. 2/ der Schaufel 6
steht, hat in bezug auf den Vektor U /Fig. 5/ der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads
4 /Fig. 1/ einen Einstellwinkel von 480 /Fig. 5/. Eine solche Ausführung der Schaufeln
6 des Leitapparats 5 gewährleistet, daß die geometrische Form der Schaufeln 6 mit
der wirklichen Strömung
des zu verdichtenden Mittels übereinstimmt,
d.h. daß der Strom die Schaufeln auf die günstige Weise umfließt. Hierdurch werden
die Energieverluste bedeutend vermindert, welche durch das Abreißen des Stroms von
der Oberfläche der Schaufeln 6 hervorgerufen werden, und wird der Wirkungsgrad der
zweiten Stufe erhöht. Der Verlauf der Einstellwinkel α /Fig. 3, 4, 5/ der
Profile der Querschnitte b-b, c-c, d-d wird in Fig. 6 gezeigt. Analogen Charakter
hat die Änderung der Einstellwinkel α der Profile der Querschnitte der Leitapparateschaufeln
6 /Fig. 1/ der restlichen Stufen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad jeder Stufe und
des gesamten Verdichters erhöht.
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Der Axialverdichter arbeitet folgendermaßen: Belm Rotieren der Laufräder
4 /Fig.1/ strömt Luft durch den Eintrittsleitapparat 2 und die Kanäle, welche durch
dle Schaufeln 11 der Laufräder 4 und die Schaufeln 6 der Leitapparate 5 gebildet
sind. Im Eintrittsleitapparat 2 wird die Geschwindigkeit des Luft-Richtung zum stroms
vergrößert und dieser erhält seine / Eintritt in das Laufrad 4 der ersten Stufe
3. Belm Strömen der Luft längs den durch die Schaufeln 11 des laufrads 4 gebildeten
Kanälen wächst die Strömungsenergie. Der Leltapparat 5 dient als Dlffusor, in dem
auch die Richtung des Stroms geändert wlrd, der Richtung seine / für den Eintritt
in das Laufrad 4 der folgenden Stufe 3 erhält. Auf diese Weise wird die Luft im
Rad durch Umwandeln der mechanischen Rotationsenergie des Rads 4 in kinetische Energie
verdichtet,
die wiederum in Verdichtungsenergie umgeformt wird. Weiterhin wird der Druck im
Leitapparat 5 erhöht. Ein analoger Prozeß verläuft in jeder folgenden Stufe 3.
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Bekanntlich hängt die Große des Wirkungsgrads einer Stufe von den
Verlusten durch Reibung und Wirbelbildung belm Umfließen der Schaufeloberflächen
und von den Verlusten, die mit dem raumlichen Charakter der Strömung verbunden sind,
ab.
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Die geometrische Form der Schaufeln 6 /Fig. 1/ des Leitapparats hängt
vom wirklichen Charakter des Strömungsflusses ab und fuhrt zur Verminderung der
Wirbelbildung und der Verluste sowie folglich zur Erhöhung des Wirkungsgrads.