EP0042044B1 - Axial-flow compressor with displaced surge limit - Google Patents
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- EP0042044B1 EP0042044B1 EP81102534A EP81102534A EP0042044B1 EP 0042044 B1 EP0042044 B1 EP 0042044B1 EP 81102534 A EP81102534 A EP 81102534A EP 81102534 A EP81102534 A EP 81102534A EP 0042044 B1 EP0042044 B1 EP 0042044B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F04D19/00—Axial-flow pumps
- F04D19/02—Multi-stage pumps
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- F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
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- F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
Definitions
- the invention relates to a single-stage or multi-stage axial compressor with axially one behind the other, combined into stages guide vane and rotor blade rings, and with one or more from the inner surface of the housing surrounding the vane rings protruding in the circumferential direction around the axis, which according to Art are stair-stepped.
- sleepers are arranged on the inner wall of the axial compressor, the penultimate sleeper lying directly at the level of a moving blade in the direction of flow.
- DE-C No. 809842 also describes an axial compressor in which the changes in the internal diameter of the housing required in the direction of flow are carried out by stepwise narrowing.
- the thresholds formed by the constriction are present both on the inside of the housing and on the outside of the rotor.
- the threshold surfaces are each cylindrical or conical.
- the flow guidance is to be improved by the thresholds in such a way that the risk of the flow becoming detached is reduced on the outside of the impeller and on the inside of the stator when the axial speed is shifted.
- Such a shift in the axial speed is then - according to the cited patent specification - under certain circumstances to avoid difficulties with regard to the Mach number at high peripheral speeds. This indicates that the known device should make it possible to improve the flow, particularly when shifting to high speeds.
- the primary aim is not to improve the design of the compressor, but to enlarge the work area. As experience shows, it is necessary to increase the flow in the axial direction at the blade tip, e.g. the peripheral speed is reduced.
- each threshold should restrict the overall free cross-section of the housing only to a cross-sectional area between 80 to 99%, preferably between 95 to 99%, of the cross-sectional area existing before the threshold.
- the outer contour of the rising surface of the sleepers be curved in the form of a convex curve, which is composed of circular and / or parabolic arcs. A similar rounding can also be found in DE-PS No. 809842.
- the inner contour of the compressor housing can be assigned a certain average taper, which is related to the compression to be achieved. It is proposed, when using the sleepers according to the invention, to place the upstream base points of the sleepers approximately on a conical jacket describing the mean taper of the inner surface of the housing. This situation can also be deviated from, wind tunnel and standing tests can give the expert advice for improvement.
- the fact that the axial velocity in the outer blade area is accelerated by the narrowing due to the sleepers is used.
- the effect is intensified by reducing the flow cross-section.
- the swirl of the flow is not changed by the constriction; the circumferential component remains constant.
- the defined high point of the thresholds for example the average threshold height, be approximately on a conical jacket K z describing the average conicity of the inner surface 11 of the housing.
- the exemplary embodiments of multi-stage axial compressors shown in FIGS. 1 and 2 have guide vane and rotor blade rings arranged one behind the other in conventional and known manner and combined into stages 1, 2, 3,.
- the guide blades 4, 6 are connected downstream of the moving blades 5, 7.
- the blades 4 to 7 are also partially pivotable and connected to corresponding adjustment devices.
- sleepers 12, 13, 14 are provided on the opposite housing inner wall 11, which protrude inward from the inner surface of the housing surrounding the blade rings and in the circumferential direction about the axis.
- the sleepers are stepped in the direction of flow in the manner of a staircase, constricting the free overall cross section of the housing from step to step by 1 to 5% of the cross-sectional area in front of the threshold.
- Each threshold 12 to 14 is arranged immediately in front of a moving blade, in the present case designated with the numbers 15, 16, 17, the operation being in the area of the moving blade tips Streamlines are compressed.
- the outer contour of the sleepers ie the rising surface 18, is rounded in a convex manner.
- the curvature curve is composed of circular and / or parabolic arcs. The curvature is intended to prevent flow interruptions, turbulence and similar disturbances in the flow.
- the narrowing of the overall cross section through the thresholds 12, 13, 14 is not so great that an excessive flow constriction occurs in normal operation, which is also undesirable.
- FIG. 3 On the left side of FIG. 3, the flow conditions of an axial compressor without a threshold arrangement are shown, but with a conically narrowing flow channel.
- the amount delivered is assumed to be 100% of the bucket height.
- the speeds C ax are essentially the same over the blade height .
- the flow velocity in the axial direction If, on the other hand, the quantity is reduced significantly, for example to 60% of the nominal delivery quantity, the speed decreases measured over the bucket height. This can result in tearing, particularly in the upper blade area.
- the flow channel is equipped with thresholds B, there is an increase in the flow velocities in the upper region, recognizable by the nose, which results from the envelope of the velocity verifiers. It is therefore plausible that the surge limit can be shifted to smaller flow rates - calculated in relation to the nominal flow rate.
- the installation of sleepers was initially dispensed with in the entrance area.
- the entire housing with such thresholds, for example if the gases used have a high speed of sound, as is the case for helium, for example.
- the upstream base points of the sleepers 12 to 14 lie approximately on a conical jacket K, which describes the mean taper of the inner surface 11 of the housing. This shape is relatively easy to produce and brings a defined compression performance.
- the blades 15, 16, 17 within the housing are turned cylindrical or conical at their tips. This gives them exactly the same distance from the inner surface 11 of the housing, the gradation by the threshold permitting a defined flow gain which is the same for all individual blades.
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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.The invention relates to a single-stage or multi-stage axial compressor with axially one behind the other, combined into stages guide vane and rotor blade rings, and with one or more from the inner surface of the housing surrounding the vane rings protruding in the circumferential direction around the axis, which according to Art are stair-stepped.
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.Such a device is described in GB-A No. 866793. In one embodiment according to FIG. 1 of said patent specification, sleepers are arranged on the inner wall of the axial compressor, the penultimate sleeper lying directly at the level of a moving blade in the direction of flow.
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.In the case of an axial compressor stage, in addition to the pressure increases when flowing through the blades, there are also pressure differences in the radial direction in the gaps between the guide and rotor blades. When designing an axial compressor at the normal operating point, these radial pressure drops are taken into account, so that there is a balance between the radial pressure drop before the running edge and the radial pressure drop after the running edge in connection with the pressure increase when flowing through the blades.
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).With decreasing throughputs, especially with delay grids, the tendency for the flow to separate on the suction side of the blades increases. This tendency to tear off can be determined with gratings of any shape; it is independent of the movement of the grid when the flow is viewed relative to the grid. The tendency to detach is therefore present in the guide and rotor blades of axial compressors. In addition, detachment does not occur simultaneously on all the blades of a compressor stage, but initially only at individual or at several points on the rotor blade grille (cf. illustration, p. 478/479 of the book 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".However, there is also the possibility that this phenomenon, once it has started, is immediately amplified and the entire flow system in the compressor is thereby out of equilibrium, ie the work of the compressor becomes unstable. This process is commonly referred to as pumping, the limit at which pumping occurs is the " pumping limit".
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.With a threshold that begins immediately behind a blade edge, as in GB-A No. 866793, a shift in the surge limit cannot be achieved when the throughput changes.
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.DE-C No. 809842 also describes an axial compressor in which the changes in the internal diameter of the housing required in the direction of flow are carried out by stepwise narrowing. The thresholds formed by the constriction are present both on the inside of the housing and on the outside of the rotor. The threshold surfaces are each cylindrical or conical. The flow guidance is to be improved by the thresholds in such a way that the risk of the flow becoming detached is reduced on the outside of the impeller and on the inside of the stator when the axial speed is shifted. Such a shift in the axial speed is then - according to the cited patent specification - under certain circumstances to avoid difficulties with regard to the Mach number at high peripheral speeds. This indicates that the known device should make it possible to improve the flow, particularly when shifting to high speeds.
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.The drawing of the mentioned patent specification and the corresponding description show a part of the flow channel of an axial compressor. It can be seen from this that the flow channel narrows in the foot area in front of the subsequent guide and rotor blades in the direction of flow. For this purpose, thresholds are formed in the peripheral lines of both the housing and the red. This arrangement is not suitable either, the surge limit of the compressor, i.e. to prevent the flow from breaking off at the blades with smaller flow rates.
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.The task thus arises of improving the behavior of an axial compressor of the type mentioned in the introduction, in particular in low-speed ranges, i.e. in particular to prevent the flow from separating in order to shift the surge limit to lower delivery rates. The primary aim is not to improve the design of the compressor, but to enlarge the work area. As experience shows, it is necessary to increase the flow in the axial direction at the blade tip, e.g. the peripheral speed is reduced.
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.This object is achieved in an axial compressor of the type mentioned at the outset in that the thresholds are arranged in the flow direction directly in front of the rotor blades on the inner surface of the housing, so that the streamlines are compressed in the region of the rotor blade tips.
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.To avoid the stall, it is also known (DE-B No. 2351308) to arrange a profiled ring which is arranged in front of a blade ring and is concentric with the machine axis, the outer ring surface of which forms an annular channel converging in the flow direction with the housing wall. The proposed solution according to DE-B No. 2351308 is indeed feasible, but in practice means relatively high additional construction costs, since the ring can be difficult to install in the housing if the other structural requirements are taken into account. The efficiency losses due to the additional, friction-generating surface and the so-called flow lag are also not to be underestimated.
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.Compared to the last mentioned status of Technology therefore has the advantages of the construction according to the invention that it can be installed economically and at a reasonable cost and that, in theory, it causes only a slight loss in efficiency which could not be measured in practice.
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.Furthermore, it is known for shifting the surge limit to smaller quantities (DE-A No. 2446512), in a turbomachine, in particular in the case of a pump with radial blading and bladed outer stator, to arrange impurities in the flow cross section which is at risk of being torn off. To carry out this measure, an impurity influencing the flow in the form of one or more webs is provided in the inlet area of the stator. The device according to DE-A No. 2446512 is, however, unsuitable for the axial compressor on which the invention is based, in order to stabilize the surge limit in the lower delivery range, in particular because the detachment which first occurs on the rotor blade grille cannot be corrected. On the other hand, this principle cannot be transferred due to the completely different blade configuration of a compressor with axial blading.
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.An essential criterion for the design of the object according to the invention is that, under normal load, the sleepers to be installed do not narrow the cross section so much that normal operation is significantly impeded. Experience shows that each threshold should restrict the overall free cross-section of the housing only to a cross-sectional area between 80 to 99%, preferably between 95 to 99%, of the cross-sectional area existing before the threshold.
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.In order to lead the flow through the housing undisturbed and with as little loss as possible, it is recommended that the outer contour of the rising surface of the sleepers be curved in the form of a convex curve, which is composed of circular and / or parabolic arcs. A similar rounding can also be found in DE-PS No. 809842.
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.Usually, the inner contour of the compressor housing can be assigned a certain average taper, which is related to the compression to be achieved. It is proposed, when using the sleepers according to the invention, to place the upstream base points of the sleepers approximately on a conical jacket describing the mean taper of the inner surface of the housing. This situation can also be deviated from, wind tunnel and standing tests can give the expert advice for improvement.
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.It is also proposed to give the inner surfaces of the housing a cylinder jacket configuration between the individual sleepers. You can deviate from this configuration. An expanding or narrowing configuration, in particular a conical jacket configuration with an opening angle of 0.5 and 10 °, can be selected.
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.To shift the surge limit to smaller delivery rates, the fact that the axial velocity in the outer blade area is accelerated by the narrowing due to the sleepers is used. The effect is intensified by reducing the flow cross-section. The swirl of the flow is not changed by the constriction; the circumferential component remains constant.
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.Due to the increase in the axial speed in the area of the blade tips, there is more flow on the blade profiles on the suction side than the design without a stepwise narrowing with the thresholds according to the invention. You are relieved. The flow is stopped at lower throughput speeds.
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 Kz liegen.It is further proposed that the defined high point of the thresholds, for example the average threshold height, be approximately on a conical jacket K z describing the average conicity of the
Schliesslich ist es vorteilhaft, wenn die Höhe der Schwellen schnittweise in Strömungsrichtung ansteigt.Finally, it is advantageous if the height of the thresholds increases in sections in the direction of flow.
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.
- 1 shows a cross section through the upper part of a compressor according to the invention.
- 2 shows the arrangement of the thresholds in a more schematic representation;
- 3 shows a comparison of the flow velocities in an axial compressor with and without thresholds;
- Fig. 4 shows the measured force field in axial compressors with and without thresholds.
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.The exemplary embodiments of multi-stage axial compressors shown in FIGS. 1 and 2 have guide vane and rotor blade rings arranged one behind the other in conventional and known manner and combined into
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.Each
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.It is also essential that the sleepers are arranged in the direction of flow directly in front of the impellers. This means that the surge limit is shifted to smaller total delivery volumes. 3 and 4 illustrate this fact.
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 Cax. 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.On the left side of FIG. 3, the flow conditions of an axial compressor without a threshold arrangement are shown, but with a conically narrowing flow channel. The amount delivered is assumed to be 100% of the bucket height. The speeds C ax are essentially the same over the blade height . the flow velocity in the axial direction. If, on the other hand, the quantity is reduced significantly, for example to 60% of the nominal delivery quantity, the speed decreases measured over the bucket height. This can result in tearing, particularly in the upper blade area. If, on the other hand, the flow channel is equipped with thresholds B, there is an increase in the flow velocities in the upper region, recognizable by the nose, which results from the envelope of the velocity verifiers. It is therefore plausible that the surge limit can be shifted to smaller flow rates - calculated in relation to the nominal flow rate.
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.This plausible assumption is also confirmed by measurements. 4 shows various characteristic curves which were measured on an axial compressor with an output of approximately 400,000 m 3 / h. The flow channel with a tapered but smooth inner surface was used; on the other hand, a flow channel was used which had the sleepers according to the invention. The design point for both compressors was a pressure ratio of about 4.4 and a nominal delivery rate of about 375000 m 3 / h. The surge limit in the original form, designated Gi, was significantly less favorable than when using sleepers according to the invention. This resulted in a curve G 2 . The characteristic curves a to f have been measured in each case at different guide vane positions, the percentages relating to the adjustment range of the guide vanes, that is to say defined by the paths of the vane adjustment mechanism. The nominal speed was around 3000 rpm.
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.As can also be seen from FIG. 1, the installation of sleepers was initially dispensed with in the entrance area. However, it is entirely possible to provide the entire housing with such thresholds, for example if the gases used have a high speed of sound, as is the case for helium, for example.
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.As indicated in FIG. 2 by the line K, the upstream base points of the
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.In order to allow an exact fit of the
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