AXIAL-FLOW COMPRESSOR WITH DISPLACED SURGE LIMIT

Abstract: 1. Single or multi-stage axial compressor with guide blade rings and rotor blade rings (4, 6 ; 15, 16, 17) arranged axially in series and associated with the stages (1, 2, 3) and having one or more ledges (12, 13, 14) which project inwardly from the inner surface (11) of the housing which surrounds the blade rings, which ledges extend around the axis in the circumferential direction and are arranged as a series of steps, characterized in that the ledges (12, 13, 14) are arranged in the direction of flow directly in front of the rotor blades (15, 16, 17) on the inner surface (11) of the housing, so that in the region of the rotor blade tips the flow lines are compressed.

Description: Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrstufigen Axialverdichter mit axial hintereinander angeordneten, zu Stufen zusammengefassten Leitschaufel- und Laufschau felkränzen, 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. Eine solche Vorrichtung ist in der DE-PS 809 842 beschrieben. Die in Strömungsrichtung erforderlichen Ver änderungen des Innendurchmessers sind bei dieser Vorrichtung durch stufenweise Einengung durchgeführt. Dabei sind die genannten Schwellen sowohl aL 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. 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 Laufschau feln von Axialverdichtern vorhanden. Ausserdem tritt die Ablösung nicht an allen Schaufeln einer Verdichterstufe qleichzeitig ein, sondern zunächst nur an einzelnen oder an mehreren Stellen des Laufschaufelgitters (vgl. DarstellunAg auf 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". 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 Laufschau felspitze zu erhöhen, wenn z. B. die Umfangsgeschwindigkeit gesenkt wird. 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. 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. 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-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. Wesentliches Kriterium ist für die Ausgestaltung des Gegenstandes gemäss Erfindung, da-ss 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. 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 Parabelbögen zusammensetzt. Eine ähnlich Abrundung ist auch der DE-PS 809 842 zu entnehmen. Uberlicherweise kann der Innenkontur des Verdichterge häuses.eine 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 le gen. 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 Offnungswinkel von 0,5 und 100 gewählt werden. 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. 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. 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. 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 Strömungsgeschwindig- keiten bei einem Axialverdichter mit und ohne Schwellen; Figur 4 das gemessene Kraftfeld bei Axialverdichtern mit und ohne Schwellen. 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. 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 groB, 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 Tatsachen sollen die Figuren 3 und 4 illustrieren. 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 '2Nase", die sich bei der Einhül lenden der Geschwindigkeitsvektoren 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. Figur 4 zeigt verschiedene Kennlinien, die an einem Axialverdichter mit etwa 400 000 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 Nennfördermenge von etwa 375 000 m3/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 Schaufelversteliwerkes definiert sind. Die Nenndrehzahl lag dabei etwa bei 3 000 U/min. 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. 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. 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.

Claims: Patent a n s p r ü c h e: 1. Ein- oder mehrstufiger Axialverdichter mit axial hin tereinander angeordneten, zu Stufen zusammengefassten Leitschaufel- und Laufschaufelkränzen, und mit einer oder mehreren aus der Innenfläche des die Schaufel kränze 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 gekennzeich net, 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 ein schnüren. 3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Aussenkontur der Anstiegsfläche (18) der Schwellen in Form einer konvex gekrümmten Linie gebogen ist, die sich aus Kreis- und/oder Pa rabelbögen zusammensetzt. 4. Mehrstufiger Axialverdichter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils stromauf wärts gelegenen Fusspunkte (K) der Schwellen angenä hert 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, an genähert auf einem, die mittlere Konizität der Ge häuseinnenwand beschreibenden Kegelmantel liegen. 6. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Laufschaufeln an ihren Spitzen zy lindrisch und/oder konisch überdreht sind. 7. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Höhe der Schwellen schrittweise in Strömungsrichtung ansteigt. 8. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, dass im Eingangsbereich des Verdichters mehrere Stufen in einem sich rein konisch verengen dem Bereich - d. h. ohne Schwellen - angeordnet sind.

Inventors: GRIEPENTROG, HARTMUT, DR.-ING., WEINRICH, HELLMUT
Applicants: M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NURNBERG AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: F04D19
IPC codes: F04D19, F04D29