DE3022206A1 - Axialverdichter mit verschobener pumpgrenze - Google Patents
Axialverdichter mit verschobener pumpgrenzeInfo
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Description
Akte 2520 χ, ■ 3Q22-2-Q-S;
' 0
Anmelder: M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft Augsburg
Unternehrnensbereich GHH Sterkrade Bahnhofstraße Oberhausen
Axialverdichter itiit verschobener Pumpgrenze
Vertreter: Patentanwälte
Dip.-Ing. S. Schulze Horn M.Sc. Dr. H. Koffmeister Goldstraße 36
4400 Münster
130061/0055
Erf. M. 1131
Akte 252ο
Akte 252ο
Axialverdichter mit verschobener Pumpgrenze
Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrstufigen Axialverdichter mit axial hintereinander angeordneten,
zu Stufen zusammengefaßten Leitschaufel- und Laufschaufelkränzen, und mit einer oder mehreren aus der Innenfläche
des die Schaufelkränze umgebenden Gehäuses nach
innen vorstehenden, zirkumferential um die Achse verlaufenden
Schwellen, die nach Art einer Treppe abgestuft sind.
Eine solche Vorrichtung ist in der DE-PS 809 842 beschrieben. Die in Strömungsrichtung erforderlichen Veränderungen
des Innendurchmessers sinä bei dieser Vorrichtung durch stufenweise Einengung durchgeführt. Dabei
sind die genannten Schwellen sowohl an der Innenseite des Gehäuses als auch an der Außenseite des
Rotors vorhanden. Die Schwellenoberflächen sind vorzugsweise jeweils zylindrisch oder konisch geführt. Die
Strömungsführung soll durch die Schwellen dahingehend verbessert werden, daß die Ablösungsgefahr der Strömung
beim Laufrad außen und beim Leitrad innen bei Verschiebung der Axialgeschwindigkeit verringert wird.
Zu einer solchen Verschiebung der Axialgeschwindigkeit
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ist man - nach Aussage der genannten Patentschrift dann unter Umständen gezwungen, um bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten
Schwierigkeiten hinsichtlich der Machzahl zu vermeiden. Dair.it ist angedeutet/ daß die bekannte
Vorrichtung insbesondere bei Verschiebung zu hohen Drehzahlen eine Verbesserung der Strömung ermöglichen sollte.
Die Zeichnung der genannten Patentschrift und die entsprechende Beschreibung zeigen einen Teil des Strömungs
kanals eines Axialverdichters. Es ist daraus ersichtlich, daß in Strömungsrichtung sich der Strömungskanal jeweils
im Fußbereich vor den nachfolgenden Leit- und Laufschaufeln verengt. Dazu sind Schwellen in dar Urr.far.gs linie sowohl
des Gehäuses als auch des Rotors ausgebildet.
Diese Anordnung ist nicht geeignet, die Pumpgrenze des Verdichters, d. h. das Abreißen der Strömung an den Schaufeln
bei kleineren Fördermengen, zu verhindern. Mit kleiner werdenden Durchsätzen, insbesondere bei Verzögerungsgittern,
steigt die Tendenz zur Ablesung der Strömung auf der Saugseite der Schaufeln. Diese Abreißneigung ist bei Gittern
beliebiger Form festzustellen; sie ist unabhängig von der
Bewegung des Gitters, wenn die Strömung relativ zum Gitter betrachtet wird. Die Ablösungstendenz ist also bei Leit-
und Laufschaufeln von Axialverdichtern vorhanden. Außerdem
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tritt die Ablösung nicht an aller. Schaufeln einer Verdichterstufe
gleichzeitig ein, sondern zunächst nur an einzelnen oder an mehreren Stellen des Laufschaufelgitters
(vgl. Darstellung auf S. 47S/479 des Buches
ECKERT/SCHNELL "Axial- und Radialkompressoren", Springer-Verlag 1961). Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß
diese Erscheinung, wenn sie einmal begonnen hat, sofort verstärkt wird und das ganze Strömungssystem im Verdichter
dadurch aus dem Gleichgewicht kommt, d. h. das Arbeiten des Verdichters wird labil. Diesen Vorgang bezeichnet
man allgemein mit "Pumpen", die Grenze, bei' der das "Pumpen" eintritt, als "Pumpgrenze".
Es stellt sich damit die Aufgabe, einen Axialverdichter der eingangs genannten Art insbesondere in Bereichen
niedriger Drehzahlen in seinem Verhalten zu verbessern ,· d. h. insbesondere dann das Ablösen eier Strömung zu
verhindern, um damit die Pumpgrenze zu niedrigeren Fördermengen zu verschieben. Erreicht werden soll also
primär nicht eine Verbesserung im Auslsgepunkt des
Verdichters, sondern eine Vergrößerung des Arbeitsbereiches. Wie die Erfahrung zeigt, ist es dazu erforderlich,
die Strömung in axialer Richtung an der Laufschaufelspitze zu erhöhen, wenn zum Beispiel die Umfangsgeschwindigkeit
gesenkt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Axialverdichter der genannten Art, bei dem die Schwellen in Strömungsrichtung
unmittelbar vor den Laufschaufeln angeordnet
sind, so daß im Bereich der Laufschaufel-Spitzen die Stromlinien verdichtet sind.
Zur Vermeidung des Strömungsabrisses ist auch bekannt (DE-AS 2 351 3o8), einen profilierten, vor einem Laufschaufelkranz
angeordneten, zur Maschinenachse konzentrischen Ring anzuordnen, dessen äußere Ringfläche mit
der Gehäusewand einen ringförmigen, in Strömungsrichtung
konvergierenden Kanal bildet. Der Lösungsvorschlag gemäß DE-AS 2 351 3o8 ist zwar durchaus realisierbar, bedeutet
jedoch in der Praxis relativ hohe zusätzliche Baukosten, da der Ring schwer im Gehäuse eingebaut werdern
kann, wenn die übrigen, baulichen Voraussetungen berücksichtigt werden. Nicht zu unterschätzen sind ferner
Wirkungsgrandverluste durch die zusätzliche, reibungserzeugende Oberfläche und die sogenannte Strömungs-Nachlauf
delle.
Gegenüber dem zuletzt genannten Stand der Technik hat daher die Konstruktion gemäß Erfindung die Vorteile, daß
sie wirtschaftlich und mit vertretbaren Kosten einzubauen
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■ι
ist und daß sie theoretisch nur einen geringen Verlust des wir2cungs grades hervorruft, der praktisch
nicht gemessen werden konnte.
Wesentliches Kriterium ist außerdem, daß bei Normallast die einzubauenden Schwellen den Querschnitt nicht
so stark einengen, daß der Normalbetrieb wesentlich behindert wird. Die Erfahrung zeigt, daß die Schwellen
vorzugsweise den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses nur auf einen Betrag zwischen etwa 80 - 99 %, vorzugsweise
zwischen 95 - 99 %, der vor der Schwelle bestehenden Querschnittsfläche einschnüren sollten.
Um die Strömung möglichst ungestört und verlustarm durch das Gehäuse zu führen, empfiehlΰ es sich, die
Anstiegsfläche der Schwelle in Form, einer konvexgekrümmten
Linie auszuführen, die sich aus Kreis- und/ oder Parabelbögen zusammensetzt. Eine ähnliche Abrundung
ist auch der DE-PS 8o9 842 zu entnehmen.
üblicherweise kann der Innenkontur des Verdichtergehäuses
eine bestimmte mittlere Konizität zugeordnet werden, die mit der zu erreichenden Verdichtung im
Zusammenhang steht. Es wird vorgeschlagen, bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schwellen, die Fußpunkte
der Schwellen angenähert auf einen, die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand
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beschreibenden Kegelmantel zu lagen. Von dieser Lage kann
auch abgewichen werden, wobei Windkanal- und Standversuche dem Fachmann Hinweise für eine Verbesserung bringen können.
Ferner wird vorgeschlagen, den Innenflächen des Gehäuses zwischen den einzelnen Schwellen eine Zylindermantelkonfiguration
zu geben. Von dieser Konfiguration kann abgewichen werden. Es kann eine sich erweiternde oder verengende,
insbesondere Kegelmantelkonfiguration mit einem Öffnungsv/inkel von 0,5 und 10 gewählt werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird
zur Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren Fördermengen ausgenutzt, daß durch die Verengung durch die Schwellen
die Äxialgeschwindigkeit im äußeren Schaufelbereich beschleunigt
wird. Der Effekt wird noch verstärkt durch die Verkleinerung des Strömungsquerschnittes. Der Drall der
Strömung wird durch die Einschnürung nicht geändert; die ümfangskornponente bleibt konstant.
Durch die Erhöhung der Axialgeschwindigkeit im Bereiche der Schaufelspitzen werden dort die Schaufelprofile gegenüber
der Auslegung ohne eine stufenweise Verengung mit den erfindungsgemäßen Schwellen mehr auf der Saugseite
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angeströmt. Sie sind damit entlasten. Das Abreißen der
Strömung wird auf niedrigere Durchsatzgeschwindigkeiten verlegt.
Dabei ist es durchaus sinnvoll, im Eingangsbereich des Verdichters mehrere Stufen in einem rein konisch sich
verengenden Bereich anzuordnen. Dort sind also keine Schwellen vorhanden. Vorzugsweise kann dann im weiteren
Verlauf der Strömung die Schwellenhöhe auch variiert, insbesondere sukzessive ansteigend, gemacht werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch den oberen Teil eines Verdichters gemäß Erfindung;
Figur 2 in mehr scheir.atischer Darstellung die Anordnung
der Schwellen;
Figur 3 eine Gegenüberstellung der Strömungsgeschwindigkeiten bei einem Axialverdichter mit und ohne
Schwellen;
Figur 4 das gemessene Kraftfeld bei Axialverdichtern mit und ohne Schwellen.
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•/77·
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele
mehrstufiger Axialverdichter
weisen in üblicher und bel'r.nntsn Weise hintereinander
angeordnete, zu Stufen 1, 2, 3 ... zusammengefaßte
Leitschaufel- und Laufschaufelkränze auf. Die Leitschaufeln 4, 6 sind dabei den
Laufschaufeln 5, 7 nachgeschaltet. Vor dem ersten Laufschaufelkranz ist ein Vorleitkranz 8 mit
schwenkbaren Schaufeln zur Regelung der Durchsatzmenge angeordnet. Auch die Schaufeln 4 bis 7
sind teilweise schwenkbar angeordnet und mit entsprechenden Verstelleinrichtungen verbunden. Während
die äußere Wandlung des Rotors 1o in Strömungsrichtung
eine stetige Verengung aufweisen kann, sind auf der gegenüberliegenden Gehäuse-I-ner.war.d 11 Schwellen 12,
13, 14 vorgesehen, die 'aus der Innenfläche des die
Schaufelkränze umgebenden Gehtfasea nach innen vorstehen
und zirkulierential um die Achse verlaufen.
Die Schwellen sind nach Art einer Treppe in Strömur.gsrichtung
abgestuft, wobei sie den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses jeweils von Stufe zu Stufe um
jeweils 1 - 5 % der vor der Schwelle herrschenden Querschnittsfläche einschnüren.
Jede Schwelle 12-14 ist unmittelbar vor einer Laufschaufel,
im vorliegenden Falle mit den Nummern 15,
16, 17 bezeichnet, angeordnet, wobei im Betrieb im
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Bereich der Laufschaufel-Spitze.- die Stromlinien verdichtet
sind. Wie insbesondere aus der Figur 2 erkennbar ist, ist die Außenkontur der Schnellen, d. h. die Anstiegsfläche
18 abgerundet konvex gekrümmt. Die Krümmung
skurve setzt sich aus Kreis- und/oder Parabelbög-..η
zusammen. Es soll durch die Krümmung verhindert werden,
daß Strcmungsabrisse, Verwirbelungen und ähnliche Störungen
der Strömung auftreten. Auf der anderen Seite ist die Verengung des Gesamtquerschnittes durch die Schwellen
12, 13, 14 nicht so groß, daß im NOrmalbetrieb eine zu
starke StrömungsVerengung auftritt, die ebenfalls unerwünscht
ist.
Wesentlich ist weiterhin-, daß die Schwellen in Strönungsrichtung
unmittelbar vor den Laufrädern angeordnet sind.
Dadurch wird erreicht, daß die Pumpgrenze zu kleineren
Gesamtfördermengen verschoben v/ird. Diese Tatsachen sollen die Figuren 3 und 4 illustrieren.
Auf der linken Seite dar Darstellung (A), sind die Strömungsverhältnisse eines Axialverdichters ohne Schwellenanordnung,
jedoch rr.it konisch verengendem. £ trömungs kanal abgebildet. Über die Schaufelhche h
ist die geförderte Menge mit 100 % angenommen. Über die Schaufelhöhe ergeben sich im wesentlichen gleiche Geschwin-
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Ah-
digkeiten. Wird dagegen di?. ' - --.~e wesentlich herabgesetzt,
beispielsweise auf 60 % der ."snnfördcrniange, so nimx.t die
Geschwindigkeit über die Schaufelhöhe gemessen ab. Insbesondere im oberen Schaufelbar ε-ich k£.an es dabei zu Abrissen
komxen. Wird dagegen der Strömungskanal mit Schwellen
ausgerüstet (B), so ergibt sich im oberen Bereich eine Erhöhung dar Stroriung-jgjsch/.incligkeiten, erkennbar
an der "Nase", die sich bei der Einhüllenden der Geschwindigkeitsvektoren ergibt. Damit ist plausibel, daß die
Pumpgrenze zu kleineren For-Iarr-ar-gen - gerechnet in Bezug
auf die Nennfördermenge - verschoben werden kann.
Diese plausible Annahme wird auch durch Messungen bestätigt.
Figur 4 zeigt verschiedene Kennlinien, die an einem Axialverdichter mit etwa 4oo. 000 ir. /h Leistung
en wurden. Dabei vurde ainnal dar Strönungskanal
mit sich verjüngender, aber glatter Innenfläche verwendet7
sum anderen wurde ein Strömungskanal verwendet, der die
erfindungsgemäßen Schwellen aufwies. Der Auslegepunkt
bsi beiden Verdichtern lag bei einem Druckverhältnis von etwa 4,4 unfeiner Nennfördermenge von etwa 375.000 m /h.
Die Pumpgrenze bei der ursprünglichen Form, bezeichnet mi~ G^ , lc.g dabei wesentlich ungünstiger als bei Verwendung
von Schwellen ge~.äß Erfindung. Hierbei ergab sich eine Kurve G~. Die Kennlinien a ... f sind dabei jeweils bei
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verschiedenen Leitschauf^r.stellungen gemessen worden,
wobei sich die Pr ο ζ ent ζ ah ".=n auf den Verstellbereich dar
Leitschaufein beziehen, d. h. durch die Wera dos Schaufelverstellwerkes
definiert sind. Die Nenndrehzahl· lag dabei etwa bei 3ooo Umdrehungen/Minute.
Wie aus den Figuren 1 und 2 ferner ersichtlich, ist im Eingangsbraich zunächst auf den Einbau von Schwellen
verzichtet worden. Es ist jedoch durchaus möglich, das ganze Gehäuse mit derartigen Schwellen zu versehen,
beispielsweise wenn die verwendeten Gase eine hohe Schallgeschwindigkeit haben, wie dies beispielsweise
für Helium der Fall ist.
Wie durch die Linie K angedeutet ist, liegen die Fußpunkte der Schwellen 12 - 14 jcvs.ilii auf eincLTi die
mittlere Konizität der Gehäuseinr.ervvana boschreibenden
Kegelmantel. Diese Form läßt sich relativ leicht herstellen und bringt eine definierte Verdichtungsleistung.
Um eine genaue Einpassung der Laufschaufeln innerhalb
des Gehäuses zu ermöglichen, sind die Laufschaufeln an ihren Spitzen zylindrisch odsr konisch überdreht.
Hierdurch erhalten sie exakt den gleichen Abstand von
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der Gehäuseinnenwand, wobei die Abstufung durch die Schwelle eine definierte Stronungsverstärkung ermöglicht,
die für alle einzelnen Schaufeln gleich ist.
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Claims (8)
1. Ein- oder mehrstufiger Axialverdichter mit axial
hintereinander angeordneten, zu Stufen zusammengefaßten Leitschaufel- und Laufschaufelkränzen, und
mit einer oder mehreren aus der Innenfläche des die Schaufelkränze umgebenden Gehäuses nach innen vorstehenden,
zirkumferential um die Achse verlaufenden Schwellen, die nach Art einer Treppe abgestuft sind,
dadurch gekennzeichnet, c:?.ß
die Schwellen (12, 13, Ii; in Strömungsrichtung unmittelbar
vor den Laufschaufeln angeordnet sind,
so daß im Eereich der Laufschaufel-Spitzen die Stromlinien Verdichtet sind.
2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwelle(n) den freien Gesamtquerschnitt des
Gehäuses auf eine Querschnittsflache zwischen 80 - 99 I,
vorzugsweise zwischen 95 - 99 5, dor vor der Schwelle
bestehenden Querschnitts!lache einschnüren.
3. Axialverdichter nach Ansciu.c.1 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Außenkor.tur der Anstiegsfläche (18) der Schwellen in Form einer konvex gekrümmten Linie
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gebogen ist, die sich aus Kreis- und/oder Parabelbögen zusammensetzt.
4. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils stromaufwärts gelegenen Fußpunkte ( \<
) der Schwellen angenähert auf einen die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand
beschreibenden Kegelmantel liegen.
5. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß festgelegte Hochpunkte der Schwellen, z. B. die mittlere Schwellenhöhe,
angenähert auf einen die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand beschreibenden Kegelmantel liegen.
6. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln an ihren Spitzen zylindrisch
und/oder konisch überdreht sind.
7. Axialverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Schwellen schrittweise in Strömungsrichtung ansteigt.
8. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß in. Eingangsbereich des Verdichters mehrere Stufen in einem sich rein konisch verengendem
Bereich - d. h. ohne Schwellen - angeordnet sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AG, 4200 |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |