EP0042044B1

EP0042044B1 - Axialverdichter mit verschobener Pumpgrenze

Info

Publication number: EP0042044B1
Application number: EP81102534A
Authority: EP
Inventors: Hartmut Dr.-Ing. Griepentrog; Hellmut Weinrich
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1984-07-11
Also published as: DE3022206C2; JPS5728900A; JPS6259800U; DE3164670D1; SU1109065A3; DE3022206A1; EP0042044A1

Description

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, in Umfangsrichtung um die Achse verlaufenden Schwellen, die nach Art einer Treppe abgestuft sind.
Eine solche Vorrichtung ist in der GB-A Nr. 866793 beschrieben. In einer Ausführungsform gemäss Fig. 1 der genannten Patentschrift sind an der Gehäuseinnenwand des Axialverdichters Schwellen angeordnet, wobei die vorletzte Schwelle in Strömungsrichtung unmittelbar auf Höhe einer Laufschaufel liegt.
Bei einer Axialverdichterstufe entstehen ausser den Drucksteigerungen beim Durchströmen der Schaufeln auch Druckdifferenzen in radialer Richtung in den Spalten zwischen den Leit- und Laufschaufeln. Bei der Auslegung eines Axialverdichters im normalen Betriebspunkt werden diese radialen Druckgefälle berücksichtigt, so dass ein Gleichgewicht zwischen dem radialen Druckgefälle vor dem Laufrand und dem radialen Druckgefälle nach dem Laufrand im Zusammenhang mit der Drucksteigerung beim Durchströmen der Schaufeln besteht.
Mit kleiner werdenden Durchsätzen, insbesondere bei Verzögerungsgittern, steigt die Tendenz zur Ablösung 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 Ablösetendenz ist also bei Leit- und Laufschaufeln von Axialverdichtern vorhanden. Ausserdem tritt die Ablösung nicht an allen Schaufeln einer Verdichterstufe gleichzeitig ein, sondern zunächst nur an einzelnen oder an mehreren Stellen des Laufschaufelgitters (vgl. Darstellung, S. 478/479 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".
Mit einer Schwelle, die unmittelbar hinter einer Laufschaufelkante beginnt, wie in der GB-A Nr. 866793, kann eine Verschiebung der Pumpgrenze bei Veränderung des Durchsatzes nicht erreicht werden.
In der DE-C Nr. 809842 ist weiterhin ein Axialverdichter beschrieben, bei dem die in Strömungsrichtung erforderlichen Veränderungen des Gehäuseinnendurchmessers durch stufenweise Einengung durchgeführt sind. Dabei sind die durch die Einengung gebildeten Schwellen sowohl an der Innenseite des Gehäuses als auch an der Aussenseite des Rotors vorhanden. Die Schwellenoberflächen sind jeweils zylindrisch oder konisch geführt. Die Strömungsführung soll durch die Schwellen dahingehend verbessert werden, dass die Ablösegefahr der Strömung beim Laufrad aussen und beim Leitrad innen bei Verschiebung der Axialgeschwindigkeit verringert wird. Zu einer solchen Verschiebung der Axialgeschwindigkeit ist man - nach Aussage der genannten Patentschrift-dann unter Umständen gewungen, um bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten Schwierigkeiten hinsichtlich der Machzahl zu vermeiden. Damit ist angedeutet, dass die bekannte Vorrichtung insbesondere bei Verschiebung zu hohen Drehzahlen eine Verbesserung der Strömung ermögklichen sollte.
Die Zeichnung der genannten Patentschrift und die entsprechende Beschreibung zeigen einen Teil des Strömungskanals 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 der Umfangsliniesowohl des Gehäuses als auch des Rotos ausgebildet. Auch diese Anordnung ist nicht geeignet, die Pumpgrenze des Verdichters, d.h. das Abreissen der Strömung an den Schaufeln bei kleineren Fördermengen, zu verhindern.
Es stellt sich damit die Aufgabe, einen Axialverdichter der eingangs genannten Art insbesondere in Breichen niedriger Drehzahlen in seinem Verhalten zu verbessern, d.h. insbesondere dann das Ablösen der Strömung zu verhindern, um damit die Pumpgrenze zu niedrigeren Fördermengen zu verschieben. Erreicht werden soll also primär nicht eine Verbesserung im Auslegepunkt 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 z.B. die Umfangsgeschwindigkeit gesenkt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Axialverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schwellen in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Laufschaufeln auf der Innenfläche des Gehäuses angeordnet sind, so dass im Bereich der Laufschaufelspitzen die Stromlinien verdichtet sind.
Zur Vermeidung des Strömungsabrisses ist auch bekannt (DE-B Nr. 2351308), 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 der DE-B Nr. 2351308 ist zwar durchaus realisierbar, bedeutet jedoch in der Praxis relativ hohe zusätzliche Baukosten, da der Ring schwer im Gehäuse eingebaut werden kann, wenn die übrigen, baulichen Voraussetzungen berücksichtigt werden. Nicht zu unterschätzen sind ferner die Wirkungsgradverluste durch die zusätzliche, reibungserzeugende Oberfläche und die sogenannte Strömungs-Nachlaufdelle.
Gegenüber dem zuletzt genannten Stand der Technik hat daher die Konstruktion gemäss Erfindung die Vorteile, dass sie wirtschaftlich und mit vertretbaren Kosten einzubauen ist, und dass sie theoretisch nur einen geringen Verlust des Wirkungsgrades hervorruft, der praktisch nicht gemessen werden konnte.
Ferner ist es zur Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren Mengen hin bekannt (DE-A Nr. 2446512), bei einer Strömungsmaschine, insbesondere bei einer Pumpe mit radialer Beschaufelung und beschaufeltem äusseren Leitrad im abreissgefährdeten Strömungsquerschnitt Störstellen anzuordnen. Zur Durchführung dieser Massnahme ist im Eintrittsbereich des leitrades eine die Strömung beeinflussende Störstelle in Form eines oder mehrerer Stege vorgesehen. Die Einrichtung gemäss DE-A Nr. 2446512 ist jedoch für den der Erfindung zugrundeliegenden Axialverdichter eingangs genannter Gattung ungeeignet, um die Pumpgrenze im unteren Fördermengenbereich zu stabilisieren, insbesondere deswegen, weil damit die zuerst am Laufschaufelgitter einsetzende Ablösung nicht korrigierbar ist. Andererseits ist aber auch wegen der völlig anderen Schaufelkonfiguration eines Verdichters mit axialer Beschaufelung dieses Prinzip nicht übertragbar.
Wesentliches Kriterium ist für die Ausgestaltung des Gegenstandes gemäss Erfindung, dass bei Normallast die einzubauenden Schwellen den Querschnitt nicht so stark einengen, dass der Normalbetrieb wesentlich behindert wird. Die Erfahrung zeigt, dass jede Schwelle den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses nur auf eine Querschnittsfläche zwischen 80 bis 99%, vorzugsweise zwischen 95 bis 99%, der vor der Schwelle bestehenden Querschnittsfläche einschnüren sollte.
Um die Strömung möglichst ungestört und verlustarm durch das Gehäuse zu führen, empfiehlt es sich, dass die Aussenkontur der Anstiegsfläche der Schwellen in Form einer konvexgekrümmten Linie gebogen ist, die sich aus Kreis- und/oder Parabelbögen zusammensetzt. Eine ähnliche Abrundung ist auch der DE-PS Nr. 809842 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 jeweils strom aufwärts gelegenen Fusspunkte der Schwellen angenähert auf einen die mittlere Konizität der Innenfläche des Gehäuses beschreibenden Kegelmantel zu legen. 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 Öffnungswinkel von 0,5 und 10° gewählt werden.
Dabei wird zur Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren Fördermengen ausgenutzt, dass durch die Verengung durch die Schwellen die Axialgeschwindigkeit 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 Umfangskomponente 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 angeströmt. Sie sind damit entlastet. Das Abreissen der Strömung wird auf niedrigere Durchsatzgeschwindigkeiten verlegt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, das festgelegte Hochpunkte der Schwellen, z.B. die mittlere Schwellenhöhe, angenähert auf einem die mittlere Konizität der Innenfläche 11 des Gehäuses beschreibenden Kegelmantel K_z liegen.
Schliesslich ist es vorteilhaft, wenn die Höhe der Schwellen schnittweise in Strömungsrichtung ansteigt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den oberen Teil eines Verdichters gemäss Erfindung;
Fig. 2 in mehr schematischer Darstellung die Anordnung der Schwellen;
Fig. 3 eine Gegenüberstellung der Strömungsgeschwindigkeiten bei einem Axialverdichter mit und ohne Schwellen;
Fig. 4 das gemessene Kraftfeld bei Axialverdichtern mit und ohne Schwellen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele mehrstufiger Axialverdichter weisen in üblicher und bekannter 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 Wandung des Rotors 10 in Strömungsrichtung eine stetige Verengung aufweisen kann, sind auf der gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand 11 Schwellen 12,13, 14 vorgesehen, die aus der Innenfläche des die Schaufelkränze umgebenden Gehäuses nach innen vorstehend und in Umfangsrichtung um die Achse verlaufen. Die Schwellen sind nach Art einer Treppe in Strömungsrichtung abgestuft, wobei sie den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses jeweils von Stufe zu Stufe um jeweils 1 bis 5% der vor der Schwelle herrschenden Querschnittsfläche einschnüren.
Jede Schwelle 12 bis 14 ist unmittlebarvor einer Laufschaufel, im vorliegenden Falle mit den Nummern 15,16,17 bezeichnet, angeordnet, wobei im Betrieb im Bereich der Laufschaufelspitzen die Stromlinien verdichtet sind. Wie insbesondere aus der Fig. 2 erkennbar ist, ist die Aussenkontur der Schwellen, d.h. die Anstiegsfläche 18 abgerundet konvex gekrümmt. Die Krümmungskurve setzt sich aus Kreis- und/oder Parabelbögen zusammen. Es soll durch die Krümmung verhindert werden, dass Strömungsabrisse, 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 Strömungsrichtung unmittelbar vor den Laufrädern angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass die Pumpgrenze zu kleineren Gesamtfördermengen verschoben wird. Diese Tatsache soll die Fig. 3 und 4 illustrieren.
Auf der linken Seite der Fig. 3 sind die Strömungsverhältnisse eines Axialverdichters ohne Schwellenanordnung, jedoch mit sich konisch verengendem Strömungskanal abgebildet. Über die Schaufelhöhe ist die geförderte Menge mit 100% angenommen. Über die Schaufelhöhe ergeben sich im wesentlichen gleiche Geschwindigkeiten C_ax. der Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung. Wird dagegen die Menge wesentlich herabgesetzt, beispielsweise auf 60% der Nennfördermenge, so nimmt die Geschwindigkeit über die Schaufelhöhe gemessen ab. Insbesondere im oberen Schaufelbereich kann es dabei zu Abrissen kommen. Wird dagegen der Strömungskanal mit Schwellen ausgerüstet B, so ergibt sich im oberen Bereich eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten, erkennbar an der Nase, die sich bei der Einhüllenden der Geschwindigkeitsverktoren ergibt. Damit ist plausibel, dass die Pumpgrenze zu kleineren Fördermengen - gerechnet in bezug auf die Nennfördermenge-verschoben werden kann.
Diese plausible Annahme wird auch durch Messungen bestätigt. Fig. 4 zeigt verschiedene Kennlinien, die an einem Axialverdichter mit etwa 400000 m³/h Leistung gemessen wurden. Dabei wurde einmal der Strömungskanal mit sich verjüngender, aber glatter Innenfläche verwendet; zum anderen wurde ein Strömungskanal verwendet, der die erfindungsgemässen Schwellen aufwies. Der Auslegepunkt bei beiden Verdichtern lag bei einem Druckverhältnis von etwa 4,4 und einer Nennförmenge von etwa 375000 m³/h. Die Pumpgrenze bei der ursprünglichen Form, bezeichnet mit Gi, lag dabei wesentlich ungünstiger als bei Verwendung von Schwellen gemäss Erfindung. Hierbei ergab sich eine Kurve G₂. Die Kennlinien a bis f sind dabei jeweils bei verschiedenen Leitschaufelstellungen gemessen worden, wobei sich die Prozentzahlen auf den Verstellbereich der Leitschaufeln beziehen, d.h. durch die Wege des Schaufelverstellwerkes definiert sind. Die Nenndrehzahl lag dabei etwa bei 3000 U/min.
Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, ist im Eingangsbereich 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 in Fig. 2 durch die Linie K, angedeutet ist, liegen die stromaufwärts gelegen Fusspunkte der Schwellen 12 bis 14 angenähert auf einem die mittlere Konizität der Innenfläche 11 des Gehäuses beschreibenden Kegelmantel K, . Diese Form lässt sich relativ leicht herstellen und bringt eine definierte Verdichtungsleistung.
Um eine genaue Einpassung der Laufschaufeln 15, 16, 17 innerhalb des gehäuses zu ermöglichen, sind die Laufschaufeln an ihren Spitzen zylindrisch oder konisch überdreht. Hierdurch erhalten sie exakt den gleichen Abstand von der Innenfläche 11 des Gehäuses, wobei die Abstufung durch die Schwelle eine definierte Strömungsverstärkung ermöglicht, die für alle einzelnen Schaufeln gleich ist.

Claims

1. Ein- oder mehrstufiger Axialverdichter mit axial hintereinander angeordneten, zu Stufen (1, 2, 3) zusammengefassten Leitschaufel- und Laufschaufelkränzen (4, 6; 15, 16, 17), und mit einer oder mehreren aus der Innenfläche (11) des die Schaufelkränze umgebenden Gehäuses nach innen vorstehenden, in Umfangsrichtung um die Achse verlaufenden Schwellen (12, 13, 14), die nach Art einer Treppe abgestuft sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellen (12, 13, 14) in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Laufschaufeln (15, 16, 17) auf der Innenfläche (11) des Gehäuses angeordnet sind, so dass im Bereich der Laufschaufelspitzen die Stromlinien verdichtet sind.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schwelle (12, 13, 14) den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses auf eine Querschnittsfläche zwischen 80 bis 99%, vorzugsweise zwischen 95 bis 99%, der vor der Schwelle bestehenden Querschnittsfläche einschnürt.

3. Axialverdichter nach einem der beiden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenkontur der Anstiegsfläche (18) der Schwellen (12,13,14) in Form einer konvex gekrümmten Linie gebogen ist, die sich aus Kreis-und/oder Parabelbögen zusammensetzt.

4. Mehrstufiger Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils stromaufwärts gelegenen Fusspunkte der Schwellen (12,13,14) angenähert auf einem die mittlere Konizität der Innenfläche (11) des Gehaüses beschreibenden Kegelmantel (K₁) liegen.

5. Mehrstufiger Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass festgelegte Hochpunkte der Schwellen (12, 13, 14) z.B. die mittlere Schwellenhöhe, angenähert auf einem die mittlere Konizität der Innenfläche (11) des Gehäuses beschreibenden Kegelmantel (K_z) liegen.

6. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (15, 16, 17) ihren Spitzen zylindrisch oder konisch überdreht sind.

7. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Schwellen (12, 13, 14) schrittweise in Strömungsrichtung ansteigt.