DE3022206A1

DE3022206A1 - Axialverdichter mit verschobener pumpgrenze

Info

Publication number: DE3022206A1
Application number: DE19803022206
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.-Ing. 4200 Oberhausen Griepentrog; Hellmut 7923 Königsbronn Weinrich
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1982-01-07
Also published as: EP0042044B1; JPS5728900A; EP0042044A1; JPS6259800U; DE3022206C2; DE3164670D1; SU1109065A3

Description

Akte 2520 χ, ■ 3Q22-2-Q-S;

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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

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Erf. M. 1131
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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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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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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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

Patentansprüche

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.