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Einrichtung zum Vermeiden des Abreißens der Strömung in Axialverdichtern
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Vermeiden des Abreißens der
Strömung in axial durchströmten Verdichtern.
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Bekanntlich können in axial durchströmten Verdichtern große Mengen
bei im Verhältnis zu radial durchströmten oder gar zu Kolbenverdichtern wesentlich
kleineren Maschinenabmessungen verarbeitet und dabei günstige Wirkungsgrade erzielt
werden. Diesen Vorzügen steht nachteilig die Tatsache entgegen, daß sich günstige
Wirkungsgrade nur in einem verhältnismäßig schmalen Betriebsbereich erreichen lassen;
ein Nachteil, der sich mit der Anzahl der Stufen steigert. Fördert nämlich ein axial
durchströmter Verdichter eine größere Menge, als seinem günstigsten Betriebspunkt
entspricht, d. h. als der Menge entspricht, für welche er ausgelegt ist, dann sinken
Förderdruck und Wirkungsgrad zunächst langsam, dann immer schneller ab. Dieses Absinken
ist zwar energiemäßig unerwünscht, führt aber noch zu keinen Betriebsschwierigkeiten,
wenn eine genügend große Arbeitsleistung zum Antrieb des Verdichters zur Verfügung
steht und die geringere Verdichtung in Kauf genommen werden kann. Wesentlich ungünstiger
liegen jedoch die Verhältnisse, wenn der Verdichter eine zu kleine Menge verarbeiten
soll.
Unterschreitet nämlich das Ansaugvolumen einen für jedeUmfanggeschwindigkeit
charakteristischen Kleinstwert, so reißt der Verdichter ab, d. h. Förderdruck und
Wirkungsgrad sinken plötzlich ganz erheblich ab, wobei beträchtliche Schwingungen
angeregt wurden, welche idie Betriebssicherheit des Verdichters gefährden.
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Dieser Nachteil (die Gefahr des Abreißens) erschwert z. B. die Anwendung
axial durchströmter Verdichter als Ladegebläse bei Flugmotoren oder macht sie insbesondere
bei Hochleistungsflugmotoren unmöglich. Es liegt im Wesen des Laderbetriebes, daß
infolge der unvermeidlichen Drehzahländerungen des Flugmotors oder der Drehzahländerungen
des Verdichters, z. B. beim Umschalten von Bodenlader auf Höhenlader, oder bei stufenloser
Drehzahländerung von durch Abgasturbinen angetriebenen Ladern dem Verdichter stark
schwankende Ansaugmengen (Durchsatzmengen) aufgedrückt werden. Diese im Flugbetrieb
unvermeidbare Veränderung der Durchsatzmenge kann -so :groß werden, daß der axial
durchströmte Verdichter insbesondere bei kleinen Verdichterdrehzahlen ins Abreißgebiet
kommt. Man könnte nun diese Abreißgefahr dadurch beseitigen, daß man den Verdichter
kleiner im Durchmesser auslegt; jedoch hat dieser Kunstgriff seine Grenze in der
Forderung, daß der Verdichter in seiner Auslagehöhe die optimalen Werte für Wirkungsgrad
und Förderhöhe erreichen muß.
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Man hat bereits die Regelvorrichtungen mit selbsttätig gesteuerten
Einrichtungen zum Abblasen der Luft hinter einer der Verdichterstufen vorgeschlagen.
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Es ist auch bekannt, die mit der Strömungsgeschwindigkeit des durchfließenden
Mittels wachsende Ablenkung eines in der Hauptleitung des zu fördernden Mittels
pendelnd drehbar angeordneten Schaufelrades zur Regelung des Ganges der Antriebsmaschine
zu benutzen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Regelvorrichtung, bei der ein an
sich bekanntes, vom Förderstrom des Verdichters durchströmtes, frei drehbares, aber
mittels Federn in beiden Drehrichtungen nachgiebig festgehaltenes Axialschaufelrad,
das je nach der Fördermenge, also je nach dem vom Förderstrom auf seine Schaufeln
ausgeübten Druck verdreht wird und dessen Verdrehungsausschläge als Steuerimpulse
für die Einrichtung dienen, und bei der dies nachgiebig festgehaltene Schaufelrad
auf der Verdichterwelle - angeordnet und nebst einem ihm vorgeschalteten, auf der
Welle festsitzenden Laufrad zwischen zwei festen Leitschaufelkränzen angeordnet
ist, wobei die Schaufeln des nachgiebig verdrehbaren Rades rein axial gerichtet
und die Schaufeln des ihm vorgeschalteten Laufrades so gestellt sind, daß bei der
gewünschten Kleinstfördermenge des Verdichters das Fördermittel aus diesem Laufrad
drallfrei austritt.
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Vorzugsweise werden die Bewegungen des nachgiebig verdrehbaren Rades
durch eine Schaltplatte, durch zwei Kontakte und zwei Stromkreise als Regelimpulse
übertragen. Für mehrstufige Verdichter werden nach der Erfindung die den Regelimpuls
liefernden Elemente in einer stufenfolgemäßig mittleren Verdichterstufe angeordnet.
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Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß auch bei erheblichem
Unterschreiten der Normalverbräuche der Förderdruck erhalten bleibt, ein Vorteil,
der besonders bei Heißstrahltrieb-,verken oder Turbinenpropellertriebwerken mit
axial durchströmten Verdichtern ins Gewicht fällt. Außerdem wird es durch die Erfindung
möglich, den axial durchströmten Verdichter dort zu verwenden, wo bisher seine Anwendung
wegen der oben geschilderten empfindlichen Abhängigkeit von Drehzahl- und Durchsatzänderungen
nicht möglich war, beispielsweise zur Aufladung von Flugmotoren.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Abb. i schematisch einen dreistufigen axial durchströmten Verdichter und
Abb.2 ebenfalls schematisch den Schnitt in der Ebene A-A.
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Der axial durchströmte Verdichter besteht aus den Leiträdern 1, 2
und 3 und aus den Laufrädern 4 und 5.
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Zwischen den Leiträdern 2 und 3 sind ein wirkungsfreies Laufrad 6
und ein drehbarer Leitschaufelkranz 7 angeordnet. Das wirkungsfreie Laufrad 6 ist
fest mit der Verdichterwelle verkeilt. Seine Schaufeln sind so gestellt, daß die
Luft aus diesem Rad bei dem gewünschten kleinsten Betriebspunkt drallfrei austritt
und daher auf den nachgeschalteten drehbaren Leitschaufelkranz 7 kein Moment ausübt.
Sobald jedoch der Betriebspunkt des Verdichters unter diesen kleinst zulässigen
Betriebspunkt absinkt, wird von dem Laufrad 6 ein Moment auf den drehbaren Leitschaufelkranz
7 ausgeübt, welches zur Steuerung des Nebenauslasses benutzt wird.
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Zu diesem Zweck trägt (wie in Abb. 2 dargestellt) der drehbare Leitschaufelkranz
7 eine Schaltplatte 8, welche in einer Lücke g des Gehäuses io durch zwei Druckfedern
i i und 12 in Abstand von zwei Kontakten 13 und 14 gehalten wird. Kontakte und Schaltplatte
sind über Leitungen mit einem Regler 15 verbunden und bilden zwei Stromkreise I
und II. Der Regler betätigt über ein Gestänge 16 eine Klappe 18 im Nebenauslaß 17,
der in der zum Verbraucher führenden Druckleitung i9 des Axialverdichters 2o liegt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Solange der Verdichter 2o normal läuft,
wird die Schaltplatte 8 durch die beiden Druckfedern i i und 12 in der in Abb. 2
dargestellten Mittellage gehalten. Das wirkungsfreie Laufrad 6 ist so ausgelegt,
daß der Austritt der Luft aus diesem Rad in diesem Falle drallfrei erfolgt. Sinkt
nunmehr aus irgendeinem Grunde das durchgesetzte Volumen und unterschreitet den
Kleinstwert, so daß die Gefahr des Abreißens entstehen würde, so wird von dem wirkungsfreien
Laufrad 6 ein Moment auf den drehbaren Leitschaufelkranz 7 in dem Sinne ausgeübt,
daß sich der drehbare Leitschaufelkranz in Richtung
des Pfeiles
P1 bewegt, dabei schlägt die Schaltplatte 8 an den Kontakt 14 an, schließt den Stromkreis
I und gibt damit den Steuerimpuls für den Regler 15, welcher über das Gestänge 16
in einem Nebenauslaß 17 eine Klappe 18 öffnet. Der erhöhte Durchsatz bewirkt
wiederum eine Annäherung an den normalen Betriebspunkt: Das auf den drehbaren Leitschaufelkranz
ausgeübte Moment hört auf, und die Schaltplatte 8 des Leitschaufelkranzes kann unter
der Wirkung der Feder i2 wiederum die Mittelstellung einnehmen. Damit wird der Kontakt
und der Stromkreis I geöffnet, was zur Folge hat, daß die vom Regler eingeleitete
Bewegung- im Sinne des öffnens des Nebenauslasses 17 aufhört.
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Wie eingangs erwähnt, stellt der Betrieb mit geöffnetem Nebenauslaß
eine Verlustquelle dar, die man jedoch in Kauf nimmt, um das Abreißen der Strömung
zu vermeiden. Selbstverständlich muß man bestrebt sein, diesen Verlust nur auf die
Betriebszustände zu beschränken, wo er unbedingt notwendig ist, d. h. wo die von
dem Verbraucher augenblicklich aufgenommene Luftmenge eben geringer ist als die
von dem Verdichter geringst durchgesetzte Menge, bei welcher-gerade noch kein Abreißen
erfolgt.
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Diesem Zweck dient der Kontakt 13 und der Stromkreis II. Wird nämlich,
nachdem der Regler die Drosselklappe geöffnet hat, der Bedarf des Verbrauchers an
Druckluft wieder größer und wächst damit der Gesamtdurchsatz über den Mindestdurchsatz
hinaus, so wird der drehbare Leitkranz nunmehr von der Rückseite angeströmt, .d.
h., es wird ihm ein Moment aufgedrückt, welches ihn entgegengesetzt dem Pfeile P1
dreht. Dadurch kommt die Schaltplatte 8 mit dem Kontakt 13 in Berührung und schließt
den Stromkreis II, was zur Folge hat, daß die Drosselklappe 18 über das Gestänge
16 im Sinne des Schließens bewegt wird. Auch diese Bewegung erfolgt nur so lange,
bis durch Verkleinerung des Durchsatzes das auf den- drehbaren Leitkranz 7 ausgeübte
Moment verschwindet, d. h. bis je nach dem augenblicklichen Bedarf des Luftverbrauchers
der Nebenauslaß etwas mehr oder vollkommen geschlossen ist.