DE3015652C2 - Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines kleinstmöglichen Spaltes zwischen dem Rotor und dem gehäusefesten Abdeckring einen Zentrifugalkompressors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines kleinstmöglichen Spaltes zwischen dem Rotor eines Zentrifugalkompressors und einem gehäusefesten Abdeckring.

Bei einem typischen Zentrifugalkompressor erfährt die durch den Rotor hindurchfließende Luft eine Temperaturerhöhung in der Größenordnung von 150—200^cC. Dieser Temperaturanstieg tritt über die relativ kurze Strecke der Schaufeln des Rotors ein, und es erfolgt ebenfalls ein entsprechender Druckanstieg der durch den Rotor hindurchfließenden Luft Aufgrund der Temperaturerhöhung der durch den Rotor hindurchtretenden Luft wird das stromab oder radial äußere Spitzenende jeder Schaufel des Rotors höheren Temperaturen ausgesetzt als sie an dem Einlaßende oder radial inneren Wurzelende des Rotors vorliegen. Die Wirkung dieses Temperaturunterschiedes ist ein Verwerfen des Rotors dergestalt, daß die radial äußeren Schaufelspitzen dazu neigen sich in Richtung stromauf auf die Oberfläche des benachbarten Abdeckrings des Kompressors auszudehnen. Eine weitere Schwierigkeit bezüglich dieses Temperaturunterschiedes besteht in der zusätzlichen Wärme an den radial äußeren Schaufelspitzen bedingt durch die Wärme, die durch den Turbinenabschnitt der Gasturbine auf die Rückseite des Rotors abgestrahlt wird. Diese zusätzliche Wärme erhöht die Temperaturdifferenz und führt zu einer weiteren Verlängerung der Schaufelspitzen in Richtung auf den Abdeckring.

Die durch den erhöhten Druck der Luft an den Schaufelspitzen ausgebildete Druckdifferenz erzeugt ebenfalls Kräfte, die dazu neigen, die Schaufelspitzen in einer Richtung stromauf in Richtung auf den benachbarten Abdeckring zu führen. Bei Bauarten nach dem Stand der Technik, bei- denen der Abdeckring so vorgesehen ist, daß derselbe in einem festgelegten räumlichen Verhältnis relativ zu dem Rotor vorliegt, ergibt es sich somit daß die über die Länge der Schaufeln einwirkenden unterschiedlichen Temperatur- und Druckkräfte zu einer Veränderung des Abstandsverhältnisses zwischen den Schaufeln und dem Abdeckring unter unterschiedlichen Arbeitsbedingungen des Zentrifugalkompressors führen. Mit anderen Worten, wenn auch der Abstand zwischen den radial inneren Wurzelteilen der Schaufel und des Abdeckrings unter unterschiedlichen Arbeitsbedingungen des Kompressors einigermaßen konstant bleibt (da die Temperatur und der Druck der Gase an dieser Stelle recht niedrig sind) wird das Abstandsverhältnis der Schaufelspitzen konstant eine Veränderung erfahren aufgrund sich ändernder Arbeitsbedingungen des Kompressors.

Ein weiterer Faktor, der zu der Verlängerung der Schaufelspitzen in Richtung stromauf beiträgt, ist der Zentrifugaleffekt bedingt durch die hohe Umlaufgeschwindigkeit des Rotors. Während des Betriebs eines Zentrifugalkompressors kann sich somit ein sich ändernder Abstand zwischen dem Abdeckring und den Schaufelspitzen über die Länge derselben ergeben und dieser Abstand kann zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und der Leistungsfähigkeit bei dem Betrieb des Zentrifugalkompressors führen.

Um nun die zu erwartende verlängernde oder relative Bewegung der radial äußeren Schaufelspitzen relativ zu den stromauf liegenden Wurzelteilen der Schaufeln zu kompensieren, ist es bisher üblich gewesen, den Abdeckring so vorzusehen, daß ein vergrößerter Raum zwischen dem Abdeckring und der Schaufel vorgesehen wird, um io ein Reiben der Schaufelspitzen an dem Abdeckring zu vermeiden und einen im wesentlichen gleichen Abstand zwischen den Schaufelspitzen und dem Abdeckring unter einer bestimmten Arbeitsbedingung, z. B. Vollast des Zentrifugalkompressors zu erreichen.

Aus der GB-PS 15 44 956 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein möglichst kleiner Abstand zwischen Rotor und Gehäuse trotz thermischer Veränderungen aufrecht erhalten wird. Dies geschieht dort durch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Starter und Rotor.

Der Erfindung liegt dieselbe Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für Zentrifugalkompressoren zu schaffen, bei der der Spalt zwischen Rotor und Abdeckring bei den sich ändernden Druck- und Temperaturbedingungen entlang der Beschaufelung des Kompressors möglichst klein gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in kennzeichnender Waise dadurch gelöst, daß der Abdeckring starr und konkav ausgebildet ist und daß der Abdeckring über einen flexiblen, ringförmigen Steg an einem gehäusefesten Flanschteil angeordnet ist, wobei sich der Steg im wesentlichen senkrecht zur Welle erstreckt

Eine erfindungsgemäße Weiterbildung besteht darin, daß die Teile ein einstückiges Bauteil bilden, sowie darin, daß an der Verbindungsstelle zwischen dem Ankerring und dem Steg Verstärkungen vorgesehen sind.

Der erfindungsgemäß erzielte Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, daß ein kleinstmöglicher Spalt zwischen Rotor und Abdeckring praktisch unveränderlicher Abmessungen aufrechterhalten wird unabhängig von den Arbeitsbedingungen des Zentrifugalkompressors, also etwa Leerlauf einerseits und Vollast andererseits.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch einen Zentrifugalkompressor und die erfindungsgemäße Vorrichtung;

F i g. 2 eine vordere Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig.3 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei jedoch die verschobene Lage des Abdeckrings während des Betriebs des Zentrifugalkompressors, wie voll ausgezogen gezeichnet, wiedergegeben ist, die

ursprüngliche Lage des Abdeckrings ist in punktierten Linien wiedergegeben.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 weist der Zentrifugalkompressor 10 einen Rotor 12 und einen Abdeckring 30 auf. Der Rotor 12 weist eine Mehrzahl an sich radial erstreckenden Schaufeln 16 auf, die an einer zentralen Nabe 18 angeordnet sind. Die Welle des Rotors trägt das Bezugszeichen 20. Jede Schaufel 16 ist über ihre Länge gekrümmt und erstreckt sich radial von dem inneren Wurzelende 22 zu dem äußeren Spitzenteil 24. Während die Luft durch das Laufrad 12 hindurchgeführt wird, wird dessen Richtung ausgehend von allgemein parallel zu der LaufradweHe 20, siehe den Pfeil A, ausgerichtet über eine Zwischenstufe, siehe den Pfeil B, verändert und liegt abschließend in einer radial nach außen gerichteten Richtung, siehe Pfeil G vor, der allgemein senkrecht zu der längsseitigen Achse der WeUe 20 verläuft Bei dem Komprimieren des Luftflusses und Umlenken in dem Zentrifuf alkompressor wird die Temperatur und der Druck der Luft von dem Wurzelende 22 bis zu der Schaufelspitze 26 erhöht, wodurch sich unterschiedliche Wärme- und Druckkräfte ergeben, die auf den Rotor 12 einwirken. Aufgrund dieser Kräfte neigen die Schaufelspitzen 24 der Schaufeln 16 dazu, sich in einer Richtung stromauf zu verlängern, oder bei Betrachten der F i g. 1 nach links in Richtung auf den Abdeckring zu verlängern. Da der eingeführte Luftfluß A zu dem Kompressor 10 andererseits relativ kalt ist und nicht unter Druck steht, liegen relativ kleine Kräfte vor, die dazu neigen die Wurzelenden 22 der Schaufeln 16 relativ zu dem Abdeckring 30 zu bewegen. Der Abdeckring ist vorzugsweise einstückig mit dem flexiblen, ringförmigen Steg mit einem inneren Durchmesserteil 52 und einem äußeren Durchmesserteil 54 und dem Flanschtragteil 40 ausgeführt Der Abdeckring 30 ist ein Rotationskörper mit einer inneren Oberfläche 32 benachbart zu den sich längsseitig erstreckenden Schaufelspitzen 26. Das Abstandsverhältnis zwischen der inneren Oberfläche 32 des Abdeckrings 30 und der sich längsseitig erstreckenden Schaufelspitze 26 wird durch den Buchstaben »5«· wiedergegeben. Der flexible ringförmige Steg 50 ist mit dem Abdeckring 30 an dessen innerem Durchmesserteil 52 an einer Stelle in der Mitte der Breite des Abdeckrings 30 befestigt. Vorzugsweise weist die Verbindungsstelle Verstärkungen 56 und 58 auf, um Belastungsspitzen hintenar.zuhalten, die sich durch ein Biegen des flexiblen Stegs 50 während des Betriebs des Zentrifugalkompressors ergeben, wie weiter unten im einzelnen erläutert.

Ein Flanschtragteil 40 weist ein zylindrisches Teil 42 mit einer zentralen Achse auf, die parallel zu der Achse an der Welle 20 angeordnet ist und ist mit dem äußeren Durchmesserteil 54 des flexiblen Stegs 50 verbunden. Ein ringförmiges Flanschtragteil 44 erstreckt sich senkrecht zu dem Zylinder 42 und weist Löcher 46 für die Aufnahme von Bolzen, nicht gezeigt, auf, um so das Flanschtragteil 40 an den entsprechenden Stellen der Gasturbine anzuschließen. Aufgrund dieser Anordnung ist das Flanschtragteil 40 bezüglich des Laufrades 12 festgelegt. Aufgrund der Krümmung des Abdeckrings 30 besitzt derselbe eine relativ starre Konfiguration und widersteht einem Biegen oder Verzerren um dessen Umfang bei der Entwicklung unterschiedlicher Druck- und Temperaturkräfte in dem Zentrifugalkompressor 10.

Um Verluste an den Schaufelspitzen hintenanzuhalten und den Wirkungsgrad des Zentrifugalkompressors unte» allen Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, daß der lichte Abstand der Spitze (entsprechend dem Abstand »S« gemäß Fig. 1) praktisch konstant über die gesamte Länge der Schaufeln (entsprechend der Kante 26) bleibt Dies wird dadurch erreicht, daß der Abdeckring 30 über einen flexiblen, ringförmigen Steg 50 an dem gehäusefesten Flanschtragteil 40 angeordnet ist, wobei sich der Steg 50 im wesentlichen senkrecht zur Welle 20 erstreckt Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 entwickeln sich während des Betriebs des Zentrifugalkompressors 10 Wärme- und Druckkräfte aufgrund der Kompression und der Beschleunigung der Gasströmung von dem Wurzelende 22 in Richtung auf die radial äußere Schaufelspitze 24, wie durch die Pfeile A, B und C wiedergegeben. Hierdurch wird eine Druckkraft auf den Abdeckring 30 in Richtung auf die linke Seite des Zentrifugalkompressors 10 entwickelt (vgl. F i g. 3).

Da der Abdeckring 30 starr bedingt durch dessen Konfiguration ist, werden die auf den Abdeckring 30 einwirkenden Kräfte durch den flexiblen ringförmigen Steg 50 auf den gehäusefesten Tragflanschteil 40 übertragen, wodurch sich eine Deformation des Stegs 50 ergibt, wie durch die fest ausgezogene Linien in der F i g. 3 wiedergegeben. Die ursprüngliche nicht verzerrte Lage des Stegs ist punktiert wiedergegeben. Wie anhand der Fig.3 gezeigt, ergibt sich aufgrund der radialen und achsialen Bewegung des Abdeckrings 30 relativ zu den Schaufelspitzen 26, daß der Abdeckring 30 in einer Richtung bewegt wird, die einer Verlängerung der Schaufeln 16 während des Betriebs des Kompressors 10 entspricht Aufgrund der Lageanordnung des Flanschtragteils 40 und insbesondere des parallelen Verhältnisses des Stegs 50 zu den Elementen 42 und 20 wird insbesondere der Abdeckring 30 stromauf weg von den Schaufelspitzen 26 gedrückt die sich in der gleichen Richtung bewegen und geringfügig radial nach außen gedrückt. Dies entspricht im wesentlichen der gesamten Wärmevergrößerung der Schaufeln 16 an ihren Wurzelenden 24 und den mittleren Teilen. Wie anhand der F i g. 3 gezeigt und unter der Einwirkung der in dem Kompressor erzeugten Wärme- und Druckkräfte nimmt der flexible Steg 50 eine im wesentlichen S-förmige Konfiguration an, sobald derselbe zwischen der starren Verbindung des Flanschtragteils und der starren Konstruktion des Abdeckrings gebogen oder verzerrt wird. Somit wird der Abstand 5 zwischen der benachbarten inneren Oberfläche 32 des Abdeckrings 30 und den Kanten 26 der Schaufeln 16 im wesentlichen konstant gehalten.

Es ergibt sich eine weitere Vergrößerung des Abdeckrings 30 an dessen Stromabende, wodurch sich eine Krümmbewegung weg von den Schaufelspitzen 24 ergibt und es resultiert eine Vergrößerung des Abstandsverhältnisses unter weiterer Aufnahme der Ausdehnung des Rotors. Dies wird bedingt durch die größere Temperaturzunahme des Teils des Abdeckrings stromab zu der Tragstelle an dem ringförmigen Steg und «veil der Abdeckring an seinem Stromabende nicht befestigt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufrechterhalten eines kleinstmöglichen Spaltes zwischen dem Rotor eines Zentrifugalkompressors und einem gehäusefesten Abdeckring, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckring (30) starr und konkav ausgebildet ist und daß der Abdeckring (30) Ober einen flexiblen, ringförmigen Steg (50) an einem gehäusefesten Flansch tragteil (40) angeordnet ist, wobei sich der Steg (50) im wesentlichen senkrecht zur Welle (20) erstreckt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (30, 40, 50) ein einstückiges Bauteil bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle zwischen dem Ankerring (30) und dem Steg (50) Verstärkungen (56,58) vorgesehen sind.

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