SINGLE OR MULTISTAGE AXIAL COMPRESSOR

Abstract: 1. A single or multi-stage axial compressor with clearance spaces inside the compressor housing, characterised in that the clearance spaces present within the axial compressor are provided as resonator chambers and that the axial compressor is equipped with at least one wide-band absorption resonator (7) as a pulsation absorber, and that for coupling the absorption resonator (7) to the gas stream circumferentially extending slots (8), which form the throat of the absorption resonator, are arranged in front of or behind a rotatable rotor (3) and that the walls of the absorption resonator (7) are lined with a damping material (D).

Description: Die Erfindung betrifft einen ein- und mehrstufigen Axialkompressor. Für die Entstehung von Strörnungsinstabilitäten 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 CH-PS 646 757 ist ein einstufiger Radialverdichter bekannt, der sich dadurch auszeichnet, 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 Druckausgleichskainrner verbinden. Durch eine derartige Ausbildung sollen bei verminderter Förderleistung auftretende Druckpulsationen beseitigt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere bei mehrstufigen Axialkompressoren die Amplitude eines vorhandenen Pul sationsspektrums zu reduzieren, um damit den nutzbaren Arbeitsbereich im Kennfeld des Kompressors zu vergrössern. 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 dersim 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 Kom pressorstuferjbeschränkt. Sie können auch z.B. an die Kom pressoraustrittskainmer 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 Lauf rad angeordnet wird, an den Gasstrom angekoppelt. Durch eine derartige Ausbildung wird ein Helmholtz-Resonator geschaffen, wobei der umlaufende Schlitz den Mdndungs- hals 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 Resonanzkurve 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 dynamLschen 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 des 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 'gsteady-state-Bedingungen" betrachtet. Die Amplitude dieser Pulsationen nimmt bekanntlich bei Reduzierung der Förderleistung zu, bevor es zu der umlaufenden Abriss strömung (rotating stall) 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 Absoprtions-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 Leitschaufeln 4 befindet. Der Einströmteil des Kompressors ist mit 5 und der Aus strömteil 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 Ab soprtionsresonator (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 EMI5.1 bestimmt. Der Ausdruck ((1 + 2 o 1) 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: Patentansprüche: 1. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit mindestens einem breitbandigen Ab sorptionsresonator (7, 8) ausgerüstet ist. 2. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonatorkammern (7) im Axialkompressor vor handene Totvolumina vorgesehen sind und zur Ankoppe lung der Resonatorkammern (7) an den Gasstrom rund umlaufende Schlitze (8), die den Mündungshals des Helmholtz-Resonators bilden, vor oder nach einem rotierenden Laufrad (3) angeordnet sind. 3. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (8) durch Stege unterbrochen sind. 4. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach den An sprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Resonatorkammern (7) zusätzliche Totvolumina von aussen angekoppelt sind. 5. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach den An sprüchen 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Resonatorkammern (7) mit einem Dämpfungsmaterial (D) ausgekleidet sind. 6. Ein- und mehrstufiger Axialkompressor nach den An sprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der Absorptionsresonatoren (7, 8) auf die Pulsationsfrequenz mit der maximalen Amplitude oder auf die harmonische Frequenz abgestimmt ist.

Inventors: FORSTER, MANFRED, Förster, Manfred 
Applicants: MAN GUTEHOFFNUNGSHUTTE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: F04D29
IPC codes: F04D29