[0001] 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, zirkumferential um die Achse verlaufenden Schwellen, die
nach Art einer Treppe abgestuft sind.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist in der DE-PS 809 842 beschrieben. Die in Strömungsrichtung
erforderlichen Veränderungen des Innendurchmessers sind bei dieser Vorrichtung durch
stufenweise Einengung durchgeführt. Dabei sind die genannten Schwellen sowohl an der
Innenseite des Gehäuses als auch an der Außenseite des Rotors vorhanden. Die Schwellenoberflächen
sind vorzugsweise jeweils zylindrisch oder konisch geführt. Die Strömungsführung soll
durch die Schwellen dahingehend verbessert werden, daß die Ablösungsgefahr 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 gezwungen, 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 ermöglichen sollte.
[0003] 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 Umfangslinie sowohl des
Gehäuses als auch des Rotors ausgebildet. Diese Anordnung ist nicht geeignet, die
Pumpgrenze des Verdichters, d. h.. das Abreißen der Strömung an den Schaufeln bei
kleineren Fördermengen, zu verhindern. 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 Ablösungstendenz 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 auf S. 478/479 des Buches ECKERT/SCHNELL "Axial- und Radialkompressoren",
Springer-Verlag 1961).
[0004] 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".
[0005] Es stellt sich damit die Aufgabe, einen Axialverdichter der eingangs genannten Art
insbesondere in Bereichen 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.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Axialverdichter der genannten Art, indem die
Schwellen in Strömungsrichtung unmittelbar vor den Laufschaufeln auf der Gehäuseinnenwand
angeordnet sind, so daß im Bereich der Laufschaufel-Spitzen die Stromlinien verdichtet
sind.
[0007] Zur Vermeidung des Strömungsabrisses ist auch bekannt (DE-AS 2 351 308), 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-AS 2 351 308 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.
[0008] 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.
[0009] Ferner ist es zur Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren Mengen hin bekannt (DE-OS
24 46 512), 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-OS 2 446 512 ist jedoch bei den der Erfindung
zugrunde liegenden axialverdichteter 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 aber auch wegen der völlig anderen Schaufelkonfiguration eines Verdichters
mit axialer Beschaufelung das Prinzip nicht übertragbar ist.
[0010] 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 die Schwellen
vorzugsweise den freien Gesamtquerschnitt des Gehäuses nur auf einen Betrag zwischen
80 - 99 %, vorzugsweise zwischen 95 - 99 %, der vor der Schwelle bestehenden Querschnittsfläche
einschnüren sollten.
[0011] Um die Strömung möglichst ungestört und verlustarm durch das Gehäuse zu führen, empfiehlt
es sich, die Anstiegsfläche der Schwelle in Form einer konvexgekrümmten Linie auszuführen,
die sich aus Kreis- und/oder Parabelbö
gen zusammensetzt. Eine ähnlich Abrundung ist auch der DE-PS 809 842 zu entnehmen.
[0012] Überlicherweise kann der Innenkontur des Verdichtergehäuseseine bestimmte mittlere
Konizität zugeordnet werden, die mit der zu erreichenden Verdichtung im Zusammenhang
steht. Es wird vorgeschlagen, bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schwellen, die
Fußpunkte der Schwellen angenähert auf einen die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand
beschreibenden Kegelmantel zu legen. Von dieser Lage kann auch abgewichen werden,
wobei Windkanal- und Standversuche dem Fachmann Hinweise für eine Verbesserung bringen
können.
[0013] 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.
[0014] Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 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.
[0015] 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.
[0016] Dabei ist es durchaus sinnvoll, im Eingangsbereich des Verdichters mehrere Stufen
in einem rein konisch sich verengenden Bereich anzuordnen. Dort sind also keine Schwellen
vorhanden. Vorzugsweise kann dann im weiteren Verlauf der Strömung die Schwellenhöhe
auch variiert, insbesondere sukzessive ansteigend, gemacht werden.
[0017] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch den oberen Teil eines Verdichters gemäß Erfindung;
Figur 2 in mehr schematischer Darstellung die Anordnung der Schwellen;
Figur 3 eine Gegenüberstellung der Strömungsgeschwindigkeiten bei einem Axialverdichter
mit und ohne Schwellen;
Figur 4 das gemessene Kraftfeld bei Axialverdichtern mit und ohne Schwellen.
[0018] Die in den Figuren 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
Gehäuse-Innenwand 11 Schwellen 12, 13, 14 vorgesehen, die aus der Innenfläche des
die Schaufelkränze umgebenden Gehäuses nach innen vorstehend und zirkumferential 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 - 5 % der vor der Schwelle herrschenden Querschnittsfläche einschnüren.
[0019] Jede Schwelle 12 - 14 ist unmittelbar vor einer Laufschaufel, im vorliegenden Falle
mit den Nummern 15, 16, 17 bezeichnet, angeordnet, wobei im Betrieb im Bereich der
Laufschaufel-Spitzen die Stromlinien verdichtet sind. Wie insbesondere aus der Figur
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.
[0020] 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 Tatsachen sollen die Figuren 3 und 4 illustrieren.
[0021] Auf der linken Seite der Darstellung (A), sind die Strömungsverhältnisse eines Axialverdichters
ohne Schwellenanordnung, jedoch mit konisch verengendem Strömungskanal abgebildet.
über die Schaufelhöhe ist die geförderte Menge mit 100 % angenommen. Über die Schaufelhöhe
ergeben sich im wesentlichen gleiche Geschwindigkeiten. 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 Geschwindigkeitsvektoren
ergibt. Damit ist plausibel, daß die Pumpgrenze zu kleineren Fördermengen - gerechnet
in bezug auf die Nennfördermenge - verschoben werden kann.
[0022] Diese plausible Annahme wird auch durch Messungen bestätigt. Figur 4 zeigt verschiedene
Kennlinien, die an einem Axialverdichter mit etwa 400 000 m
3/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 Nennfördermenge von etwa 375
000 m
3/h. Die Pumpgrenze bei der ursprünglichen Form, bezeichnet mit G1, lag dabei wesentlich
ungünstiger als bei Verwendung von Schwellen gemäß Erfindung. Hierbei ergab sich eine
Kurve G2. Die Kennlinien a ... 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 3 000 U/min.
[0023] Wie aus den Figuren 1 und 2 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.
[0024] Wie durch die Linie K angedeutet ist, liegen die Fußpunkte der Schwellen 12 - 14
jeweils auf einem die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand beschreibenden Kegelmantel.
Diese Form läßt sich relativ leicht herstellen und bringt eine definierte Verdichtungsleistung.
[0025] Um eine genaue Einpassung der Laufschaufeln innerhalb des Gehäuses zu ermöglichen,
sind die Laufschaufeln an ihren Spitzen zylindrisch oder konisch überdreht. Hierdurch
erhalten sie exakt den gleichen Abstand von der Gehäuseinnenwand, wobei die Abstufung
durch die Schwelle eine definierte Strömungsverstärkung ermöglicht, die für alle einzelnen
Schaufeln gleich ist.
1. Ein- oder mehrstufiger 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, zirkumferential um die Achse verlaufenden Schwellen, die nach Art einer
Treppe abgestuft sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellen (12, 13, 14) in Strömungsrichtung
unmittelbar vor den Laufschaufeln auf der Gehäuseinnenwand (11) angeordnet sind, so
daß im Bereich der Laufschaufel-Spitzen die Stromlinien verdichtet sind.
2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwelle(n) den
freien Gesamtquerschnitt. des Gehäuses auf eine Querschnittsfläche zwischen 80 - 99
%, vorzugsweise zwischen 95 - 99 %, der vor der Schwelle bestehenden Querschnittsfläche
einschnüren.
3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur
der Anstiegsfläche (18) der Schwellen in Form einer konvex gekrümmten Linie gebogen
ist, die sich aus Kreis- und/oder Parabelbögen zusammensetzt.
4. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweils stromaufwärts gelegenen Fußpunkte (K) der Schwellen angenähert auf einem,
die mittlere Konizität der Gehäuse- innenwand beschreibenden Kegelmantel liegen.
5. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
festgelegte Hochpunkte der Schwellen, z. B. die mittlere Schwellenhöhe, angenähert
auf einem, die mittlere Konizität der Gehäuseinnenwand beschreibenden Kegelmantel
liegen.
6. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf schaufeln
an ihren Spitzen zylindrisch und/oder konisch überdreht sind.
7. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Schwellen
schrittweise in Strömungsrichtung ansteigt.
8. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangsbereich
des Verdichters mehrere Stufen in einem sich rein konisch verengendem Bereich - d.
h. ohne Schwellen - angeordnet sind.