EP0196363B1 - Ein- und mehrstufiger Axialkompressor - Google Patents

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EP0196363B1
EP0196363B1 EP85113808A EP85113808A EP0196363B1 EP 0196363 B1 EP0196363 B1 EP 0196363B1 EP 85113808 A EP85113808 A EP 85113808A EP 85113808 A EP85113808 A EP 85113808A EP 0196363 B1 EP0196363 B1 EP 0196363B1
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resonator
axial compressor
absorption
compressor
clearance spaces
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Manfred Förster
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MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/665—Sound attenuation by means of resonance chambers or interference
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/522—Casings; Connections of working fluid for axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/661—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/663—Sound attenuation
    • F04D29/664—Sound attenuation by means of sound absorbing material

Definitions

  • the invention relates to a single-stage or multi-stage axial compressor with dead volumes within the compressor housing.
  • pressure pulsations which occur in a single-stage radial compressor with reduced delivery capacity and which cause pulsating impacts in the impeller, which cause vibrations and disturbing noises, are to be prevented in that a single passage or over at least in one wall in the unspanned diffuser channel the circumference of distributed passages are arranged which connect the diffuser channel to at least one annular pressure compensation chamber arranged behind the diffuser wall.
  • GB-A-2 090 334 relates to a tubular resonator for axial machines for reducing vibrations of the impeller blades of the first row of a gas turbine of an aircraft engine.
  • a plurality of tube resonators are embedded in the wall of the flow channel directly opposite the tip of the rotating impeller blade, tuned to 1/4 of the wavelength of the flutter frequency of the impeller blades.
  • absorption resonators form practically perforated walls, each with an inlet bore and a small volume arranged behind it.
  • Absorption resonators of this type are also known in silencers.
  • the object of the invention is to reduce the amplitude of an existing pulsation spectrum in single-stage or multi-stage axial compressors, in order to enlarge the usable working range in the characteristic map of the compressor.
  • an axial compressor is equipped with one or more absorption resonators, so-called Helmholtz resonators.
  • the absorption resonators are arranged between several stages in a stage group.
  • the specialty of the axial compressor and here in the case of speed-controllable machines, is that the pumping point of interest is reached at a constant final pressure, which corresponds to the design pressure, at a speed at which all stages reach their pump limit at the pumping point of the entire compressor. At lower speeds, the first stages pump first. At higher speeds, however, the last stages pump first.
  • the coupling of the absorption resonators is of course not limited to the area of the middle compressor stages. You can also e.g. be coupled to the compressor discharge chamber.
  • the absorption resonators can be used in both compressor sections.
  • the dead volumes known in the case of axial compressors within the compressor housing are suitable as resonator chambers. These are coupled to the gas flow via a circumferential slot, which is arranged before or after an impeller. Such a design creates a Helmholtz resonator, the circumferential slot forming the mouth of the resonator.
  • the axial compressor does not have sufficient dead volumes in the housing, additional dead volumes, which serve as resonator chambers, can be coupled from the outside according to the invention.
  • the walls of the resonator chambers can be at least partially equipped with a damping material of a certain sound resistance.
  • a damping material of a certain sound resistance can e.g. be an insulating material based on mineral fiber.
  • a damping of the neck of the Helmholtz resonator, represented by the circumferential slot, is not possible because of the narrow shape.
  • the frequency of the pulsation spectrum to be damped depends on the type, number of stages and some dynamic factors of the respective axial compressor and is therefore determined experimentally once for each type.
  • the design according to the invention is also suitable for damping pump pulses in the event of a complete stall (deep surge). Although the frequency of this pump is lower, the absorption resonator has a dampening effect.
  • the invention does not take into account the relatively high frequencies resulting from speed and number of blades, nor the relatively low frequency in the event of a complete stall, the "pumping" of the compressor.
  • the existing broadband pulsation spectrum superimposed on the gas flow in the range from 200 to 800 Hz is considered under "steady-state conditions".
  • the amplitude of these pulsations increases when the delivery capacity is reduced before the circulating stall flow (rotating stall) and ultimately the complete stall.
  • the housing space (dead volume) which can be seen between the inflow part 5 and the outflow part 6 is used as the resonator chamber 7.
  • the compressor has a circumferential slot 8, which serves as a coupling slot for the absorption resonator (resonator chamber) 7 and can also be referred to as the neck of a Helmholtz resonator.
  • the walls of the resonator chamber 7, as indicated in FIG. 2, are coated with an acoustic insulation layer D, for example mineral wool.
  • the absorption resonator as shown in the schematic diagram (FIG. 2), represents a mass-spring resonance system.
  • the volume V gives the spring.
  • the resonator neck (slot 8) with its surface S and the length L gives the mass.
  • the resonance frequency is according to the formula certainly.
  • the expression (1 + 2 A I) denotes the muzzle correction necessary for the resonator neck length for this application.
  • an experimentally determined correction for the resonance frequency to higher frequencies is used, since the oscillating gas mass is carried away at the slot outlet by the high gas flow.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrstufigen Axialkompressor mit Totvolumina innerhalb des Kompressorgehäuses.
  • Für die Entstehung von Strömungsinstabilitäten und Druckpulsationen in Axialkompressoren sind nicht nur strömungsdynamische Vorgänge, sondern auch akustische Gesetzmäßigkeiten verantwortlich.
  • Bei der Betrachtung der komplexen Strömungsverhältnisse und des Ablösungsbeginns einer dreidimensionalen Grenzschicht wurden bereits von Emmons, Pearson und Grant auch akustische Einflüsse mit einbezogen. C. R. Sparks hat sich intensiv mit der akustischen Einordnung eines Radialkompressors und den verbindenden Rohrleitungen befaßt (Journal of Engineering for Power, Oct. 1983, Vol. 105).
  • Nach der EP-A-0 046 173 sollen bei einem einstufigen Radialverdichter bei verminderter Förderleistung auftretende Druckpulsationen, welche pulsierende Stöße im Laufrad hervorrufen, die Vibrationen und Störgeräusche verursachen, dadurch verhindert werden, daß im unbeschaufelten Diffusorkanal mindestens in einer Wand ein einziger Durchtritt oder über den Umfang verteilte Durchtritte angeordnet sind, die den Diffusorkanal mit mindestens einer hinter der Diffusorwand angeordneten ringförmigen Druckausgleichskammer verbinden.
  • Die GB-A-2 090 334 betrifft einen röhrenartigen Resonator für Axialmaschinen zur Reduzierung von Schwingungen der Laufradschaufeln der ersten Reihe einer Gasturbine eines Flugzeugtriebswerkes. In der Wand des Strömungskanals unmittelbar gegenüber der Spitze der rotierenden Laufradschaufel sind eine Mehrzahl von Röhrenresonatoren eingelassen, abgestimmt auf 1/4 der Wellenlänge der Flatterfrequenz der Laufradschaufeln.
  • Derartige Absorptionsresonatoren bilden praktisch perforierte Wände mit jeweils einer Eintrittsbohrung und einem dahinter angeordneten kleinen Volumen. Absorptionsresonatoren dieser Art sind auch in Schalldämpfern bekannt.
  • In der US-A-2 252 256 wird die Bedämpfung der Schallenergie, die ein Impeller mit einer Drehfrequenz erzeugt, durch nachträgliche Anordnung von in die den Impeller oder Propeller umgebende Wand eingelassenen Aborptionsresonatoren behandelt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einstufigen oder mehrstufigen Axialkompressoren die Amplitude eines vorhandenen Pulsationsspektrums zu reduzieren, um damit den nutzbaren Arbeitsbereich im Kennfeld des Kompressors zu vergrössern.
  • Im Gegensatz zu den oben gewürdigen Druckschriften, bei denen zum Zweck der Reduzierung von Schallschwingungen konstruktiv Hohlräume geschaffen wurden, die als akustische Resonatoren verwendet werden, sind es nach der Erfindung von vornherein vorhandene Totvolumina, die als Resonatorkammern verwendet werden. Der so entstehende Helmholtz-Resonator wirkt als Pulsationsabsorber und reduziert die Amplitude des im Axialkompressor vorhandenen Pulsationsspektrums.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Axialkompressor mit einem oder mehreren Absorptionsresonatoren, sogenannten Helmholtz-Resonatoren, ausgerüstet.
  • Bei mehrstufigen Axialkompressoren werden die Absorptionsresonatoren zwischen mehreren Stufen einer Stufengruppe angeordnet.
  • Beim Axialkompressor, und hier bei drehzahlregelbaren Maschinen, gilt die Besonderheit, daß der interessierende Pumppunkt bei konstantem Enddruck, der dem Auslegungsdruck entspricht, bei einer Drehzahl erreicht wird, bei der im Pumppunkt des gesamten Kompressors alle Stufen gleichzeitig ihre Pumpgrenze erreichen. Bei kleineren Drehzahlen pumpen zuerst die ersten Stufen. Bei höheren Drehzahlen pumpen dagegen zuerst die letzten Stufen.
  • Um hier besonders effektiv die Absorptionsresonatoren einzusetzen, ist es sinnvoll, diese in der Mitte der Stufengruppe anzuordnen. Dadurch erhält man den kürzesten Abstand von diesem Punkt zu allen pumpenden Axialstufen.
  • Die Ankoppelung der Absorptionsresonatoren ist selbstverständlich nicht auf den Bereich der mittleren Kompressorstufen beschränkt. Sie können auch z.B. an die Kompressoraustrittskammer angekoppelt werden.
  • Bei Axialkompressoren mit Niederdruck- und Hochdruckteil lassen sich die Absorptionsresonatoren in beiden Kompressorteilen verwenden.
  • Nach der Erfindung bieten sich als Resonatorkammern die bei Axialkompressoren bekannten Totvolumina innerhalb des Kompressorgehäuses an. Diese werden über einen rundumlaufenden Schlitz, der vor oder nach einem Laufrad angeordnet wird, an den Gasstrom angekoppelt. Durch eine derartige Ausbildung wird ein Helmholtz-Resonator geschaffen, wobei der umlaufende Schlitz den Mündungshals des Resonators bildet.
  • Weist der Axialkompressor keine ausreichenden Totvolumina im Gehäuse auf, so können erfindungsgemäß zusätzliche Totvolumina, die als Resonatorkammern dienen, von außen angekoppelt werden.
  • Um nun die relativ steile Resonanzkurze des so gebildeten Helmholtz-Resonators abzuflachen, lassen sich erfindungsgemäß die Wandungen der Resonatorkammern mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial einer bestimmten Schallresistenz ausrüsten. Dies kann z.B. ein Dämmstoff auf der Basis Mineralfaser sein. Eine Bedämpfung des Mündungshalses des Helmholtz-Resonators, dargestellt durch den umlaufenden Schlitz, ist wegen der schmalen Formgebung nicht möglich.
  • Die Frequenz des zu bedämpfenden Pulsationsspektrums ist abhängig von Bauart, Stufenzahl und einigen dynamischen Faktoren des jeweiligen Axialkompressors und wird deshalb für jeden Typ einmal experimentell ermittelt.
  • Es ist ferner von Einfluß, ob die Ansaugströmung bereits pulsationsbehaftet ist, da solche Pulsationen beim Durchtritt durch den Kompressor noch eine Verstärkung erfahren können.
  • Die erfindungsgemäße Ausbildung eignet sich auch für die Bedämpfung von Pumpstößen bei völligem Strömungsabriß (deep surge). Obwohl die Frequenz bei diesem Pumpen niedriger liegt, bleibt eine bedämpfende Wirkung das Absorptionsresonators erhalten.
  • Die Erfindung zieht nicht die relativ hohen Frequenzen, resultierend aus Drehzahl und Schaufelzahl, und ebensowenig die relativ niedrige Frequenz beim völligen Strömungsabriß, dem «Pumpen» des Kompressors, in Betracht.
  • Vielmehr wird das vorhandene breitbandige, den Gasstrom überlagerte Pulsationsspektrum im Bereich von 200 bis 800 Hz unter «steady-state-Bedingungen» betrachtet. Die Amplitude dieser Pulsationen nimmt bekanntlich bei Reduzierung der Förderleistung zu, bevor es zu der umlaufenden Abrißströmung (rotating ställ) und letztlich zum kompletten Strömungsabriß kommt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Axialkompressors und
    • Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt eines Absorptions-Resonators.
    • Fig. 1 stellt den oberen Teil eines Axialkompressors dar mit dem Gehäuseoberteil 1, in dem sich der Rotor 2 mit den Laufschaufeln 3 und den Leitschaufein 4 befindet. Der Einströmteil des Kompressors ist mit 5 und der Ausströmteil mit 6 bezeichnet.
  • Der zwischen Einströmteil 5 und Ausströmteil 6 erkennbare Gehäuseraum (Totvolumen) wird als Resonatorkammer 7 verwendet. Zwischen einer Laufschaufel 3 und einer Leitschaufel 4 weist der Kompressor einen umlaufenden Schlitz 8 auf, der als Ankoppelungsschlitz für den Absorptionsresonator (Resonatorkammer) 7 dient und auch als Mündungshals eines Helmholtz-Resonators bezeichnet werden kann.
  • Zur Abflachung der Resonanzkurve und damit die Absorption für einen breiteren Frequenzbereich wirksam wird, sind die Wandungen der Resonatorkammer 7, wie in Fig. 2 angedeutet, mit einer akustischen Dämmschicht D, beispielsweise Mineralwolle, beschichtet.
  • Der Absorptionsresonator, wie er in der Prinzipskizze (Fig. 2) dargestellt ist, stellt ein Masse-Feder-Resonanzsystem dar. Das Volumen V ergibt die Feder. Der Resonatorhals (Schlitz 8) mit seiner Fläche S und der Länge L ergibt die Masse.
  • Die Resonanzfrequenz wird nach der Formel
    Figure imgb0001
    bestimmt.
  • Der Ausdruck (1 + 2 A I) bezeichnet die für diesen Anwendungsfall notwendige Mündungskorrektur für die Resonatorhalslänge. Außerdem kommt eine experimentell ermittelte Korrektur für die Resonanzfrequenz zu höheren Frequenzen zur Anwendung, da durch die hohe Gasströmung die schwingende Gasmasse am Schlitzaustritt fortgetragen wird.

Claims (4)

1. Ein- oder mehrstufiger Axialkompressor mit Totvolumina innerhalb des Kompressorgehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß die im Axialkompressor vorhandenen Totvolumina als Resonatorkammern vorgesehen sind und der Axialkompressor mit mindestens einem breitbandigen Absorptionsresonator (7) als Pulsationsabsorber ausgerüstet ist, und zur Ankoppelung des Absorptionsresonators (7) an den Gasstrom rundumlaufende Schlitze (8), die den Mündungshals des Absorptionsresonators bilden, vor oder nach einem rotierenden Laufrad (3) angeordnet sind, und daß die Wandungen des Absorptionsresonators (7) mit einem Dämpfungsmaterial (D) ausgekleidet sind.
2. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (8) durch Stege unterbrochen sind.
3. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonatorkammern zusätzliche Totvolumina von außen angekoppelt sind.
4. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Absorptionsresonators (7) auf den Pulsationsbereich mit der maximalen Amplitude innerhalb von 200 bis 800 Hz abgestimmt ist oder auf die 1. Harmonische dieser Frequenz.
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