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Verfahren zur Verhinderung der Eisbildung in Axialkompressoren, insbesondere
von Gasturbinenanlagen, sowie Axialkompressor zur Ausübung des Verfahrens Bei Turbokompressoren,
die in Flugzeugen, Lokomotiven oder sonstwo gezwungen sind, mindestens zeitweise
kalte Luft anzusaugen, besteht die Gefahr der Bildung von Eis im Luftweg, d. h.
an den Schaufeln, und zwar bei Axialkompressoren, auf die sich die Erfindung bezieht,
vorwiegend an den ersten Leitschaufelreihen.
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Diese Eisbildung hat nicht nur eine Verminderung des Durchgangsquerschnittes,
sondern, was viel gefährlicher ist, eine Ablösung der Strömung und damit eine solche
Störung der Kompression zur Folge, daß bei Gasturbinenantrieb die Leistung der Gasturbine
völlig ungenügend wird und der Antrieb versagt. Man hat nun schon eine Heizung der
ganzen Durchflußmenge vorgeschlagen. Diese scheidet jedoch aus wirtschaftlichen
Gründen aus. Im Gegenteil,* man ist gewohnt, bei Kompressoren zu kühlen, um eine
möglichst isothermische Verdichtung des zu behandelnden Mediums zu erzielen und
damit an aufzuwendender Energie zu sparen. Aus. diesem Grund hat man auch schon
vorgeschlagen, nur die Schaufeln zu erwärmen, ohne aber eine Lösung zu bringen,
die diesen Zweck erfüllt, gleichzeitig aber den Wirkungsgrad nicht merklich verschlechtert.
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Es muß deshalb angestrebt werden, die Schaufeln so auf die für die
Vermeidung der Eisbildung Potwendige
Temperatur zu bringen, daß
möglichst nur sie selbst oder ihre unmittelbare Umgebung, nicht aber die ganze durchfließende
Fördermenge geheizt wird.
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Die bisher bei Preßluftturbinen zur Vermeidung von Eisbildung bekannten
Methoden der Schaufelerwärmung durch Anordnung hohler Schaufeln, durch die warme
Luft in verhältnismäßig großen Mengen getrieben und zur Mischung mit der Preßluft
gebracht wurde, lassen sich daher nicht auf Kompressoren übertragen. Insbesondere
in Gasturbinenanlagen könnte die größere aufzuwendende Kompressionsarbeit geradezu
lähmend wirken, da die Nutzleistung als Differenz zwischen Turbinen- und Kompressorleistung
entsteht, letztere aber schon jetzt etwa dreimal so groß ist wie die Nutzleistung.
Der Wirkungsgrad steigt dagegen, und damit auch die Leistung der Gasturbinenanlage,
bei tiefer Lufttemperatur, weil. die spezifische Kompressionsarbeit proportional
der absoluten Temperatur zurückgeht. Die niedrige Temperatur muß deshalb möglichst
erhalten bleiben.
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Es handelt sich also darum, eine wirksame Lösung zu finden, die für
die Schaufeln des Axialkompressors ein Minimum an Wärmemedium erfordert.
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Gemäß der Erfindung besteht diese Lösung in einem Verfahren, nach
welchem man ein gasförmiges Medium mit einer Temperatur über derjenigen, bei welcher
Eisbildung zu befürchten ist, als ständig sich erneuernden Film so über die Flächen
der Schaufeln mindestens der ersten Stufe des Kompressors leitet, daß es die Grenzschicht
fortwährend ersetzt und das die Eisbildung verursachende kältere Medium von diesen
Schaufeln fernhält.
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Vorteilhaft benutzt man in Gasturbinenanlagen hierzu Turbinenabgase.
Man kann aber auch aus einer späteren Stufe des Kompressors Luft zurückführen, welche
,durch die Kompressionswärme bereits erhitzt ist. Da die Temperaturerhöhung durch
die Kompressionswärme pro Stufe etwa 8° C beträgt, kann man je nach den, z. B. für
ein Flugzeug, zu erwartenden Temperaturverhältnissen diese aus einer Stufe entnehmen,
die so gewählt ist, daß nur gerade die gewünschte Wirkung erzielt wird, um den Wirkungsgrad
möglichst wenig zu beeinträchtigen.
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Zur Ausübung dieses Verfahrens dient ferner nach der Erfindung ein
Axialkompressor mit mindestens in seiner ersten Stufe angeordneten, je mit einem
Längskanal und davon ausgehenden Schlitzen ausgerüsteten Schaufeln für- ein aus
diesen Schlitzen über die Schaufelflächen in Form eines Films strömendes Wärmemedium.
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Ist der Axialkompressor Bestandteil einer Dampf-oder Gasturbinenanlage
mit gegen die heißen Dämpfe bzw. Frischgase durch einen Kühlfilm geschützten Turbinenschaufeln,
so dürfte es unter Umständen auch zweckmäßig sein, dasselbe Medium, welches für
die Turbinenschaufeln als Kühlmittel verwendet wird, für die Kompressorschaufeln
mindestens der ersten Stufe als Wärmemittel zu verwenden, so daß dieselbe Quelle
herangezogen werden kann, beispielsweise Druckluft.
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Als Schaufeln für mindestens die erste Stufe des Axialkompressors
können vorteilhaft Hohlschaufeln oder mehrteilige Schaufeln, die aus Haupt- und
Vorschaufel bestehen, verwendet werden. In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel
zur Ausübung des Verfahrens eine Gasturbinenanlage für Flugzeugantrieb im Längsschnitt
dargestellt, und zwar ist nur die obere Hälfte gezeichnet.
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Es ist i ein Axialkompressor, 2 eine Brennkammer und 3 eine Gasturbine.
Nach den letzten Schaufeln der Gasturbine ist eine mit dem Turbineninnern in Verbindung
stehende ringförmige Kammer 4 zur Aufnahme eines Teils der heißen Abgase angebracht,
die bei 12 in diese Kammer strömen. Ebenso besitzt der Kompressor i eine ringförmige
Kammer 5, von der aus Kanäle 6 zu den Leitschaufeln 7 seiner ersten Stufe sich erstrecken.
Beide Kammern 4 und 5 sind durch mindestens ein Rohr 8 miteinander verbunden. Unter
Umständen genügt es nur die Leitschaufeln ständig mit einer wärmeren Schutzschicht
zu überspülen. In diesem Beispiel sind aber auch die Laufschaufeln 9 der ersten
Kompressorstufen den heißen Abgasen in gleicher Weise zugänglich gemacht, und zwar
durch die miteinander verbundenen hohlen Rotoren io bzw. ii von Gasturbine und Kompressor
hindurch. Ein anderer Teil der Abgase strömt bei 12 in den Rotor io der Gasturbine,
dann durch die Bohrung 13 in den Hohlraum des Rotors i i und von dort durch die
Kanäle 14 in die Längskanäle der wie die Leitschaufeln 7 mit Schlitzen versehenen
Laufschaufeln 9. Diese Schaufeln selbst sind bei Gas- oder Dampfturbinen bekannt,
dienen aber dort dem gegenteiligen Zweck, nämlich der Vermeidung schädlicher Erhitzung
des Schaufelmaterials.
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Die `'Wirkungsweise der dargestellten Anlage ist wie folgt: Luft strömt
vorn links in den mit Schaufeln besetzten Teil des Axialkompressors i, wird dort
verdichtet und gelangt in die Brennkammer 2, in die durch Leitung 15 Brennstoff
eingespritzt wird. Die sich nach Entzündung desselben bildenden heißen Gase durchströmen
die Turbine 3 und leisten Arbeit. Während der Hauptteil der Abgase geradeaus strömt,
schwenkt bei 12 ein Teil der Abgase nach außen in die Kammer 4 und ein anderer Teil
nach innen in den Rotor io ab, der eine Teil, um zur Kammer 5 und durch die Kanäle
6 zu den Leitschaufeln 7, der andere Teil, um durch Rotor io, Bohrung 13, Rotor
ii, Kanäle 14 zu den Laufschaufeln 9 zu strömen. Beide Abgasteilströme treten
an den Schaufeln, wie sie an sich bei Hochtemperaturturbinen zu Kühlzwecken bekannt
sind, aus Schlitzen, die mit Längskanälen verbunden sind, aus und überziehen die
betreffenden Schaufeln mit einem dünnen Film warmer Abgase und halten so, als Grenzschicht,
die ständig erneuert wird, den aus der Atmosphäre kommenden Luftstrom von den Schaufeln
ab, so daß die Bildung von Eis verhindert wird.
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Die für die Kompressorschaufeln bestimmten Abgase können auch einer
Zwischenstufe der Gasturbine entnommen werden.
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Man wird diese Enteisung, da sie immer mit einer gewissen Wirkungsgradeinbuße
verbunden ist, nur dann anwenden wollen, wenn sie wirklich nötig ist und sie deshalb
zweckmäßig abschließbar machen. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß die vermöge
der tiefen Temperatur erhältliche Mehrleistung, gegenüber einem
Betrieb
ohne Eisgefahr, die durch die nach Maßgabe der Erfindung für die Enteisung verlangte
Mehrleistung mindestens deckt.
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Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auf Laufschaufeln
des Kompressors wird man vorteilhaft einen Rotor wählen, der aus Scheiben zusammengesetzt
ist, die zwischen sich Kammern bilden, wie bei Dampf- oder Gasturbinen vielfach
üblich. Das Wärmemedium kann dann, ohne den ganzen Rotor zu erwärmen, durch mindestens
ein die Scheiben durchdringendes Rohr zu derjenigen Kammer geleitet werden, von
der aus die Kanäle 14 zu den betreffenden Laufschaufeln führen. Es können auch mehrere
der möglichen Arten des Verfahrens nach der Erfindung bzw. der dazu gehörenden Einrichtungen
miteinander kombiniert werden.