DE2050950A1

DE2050950A1 - Uberschallkompressor mit konischem Einlauf

Info

Publication number: DE2050950A1
Application number: DE19702050950
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Eugene Friberg; Jean-Marie Merigoux
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1969-10-17
Filing date: 1970-10-16
Publication date: 1971-04-29
Also published as: GB1334241A; DE2050950B2; FR2063491A6; US3719426A; DE2050950C3

Description

Überschallkompressor mit konischem Einlauf

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, in der gleichen Stufe eines Uberschall-Axialverdichters zwei Strömungen unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen jedoch unter der Bedingung, daß die beiden Strömungen hinsichtlich des Druckes kompatibel sind - entweder in Strömungerichtung vor oder in Strömungerichtung hinter dieser Stufe zu unterwerfen.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Vorrichtung, bei der die beiden Strömungen aus ein und der gleichen, in Strömungsrichtung gesehen vorherigen Stufe stammen.

Vor allem befaßt sich die Erfindung auch mit einer Vorrichtung, die für den Fall ausgebildet ist, daß die Strömung oder der Fluß einer Stufe zwei unterschiedlichen Beetimmungen, wo unterschiedliche Drücke herrschen, zugeführt wird* Es konnte kürzlich gezeigt werden, daß es möglich war, ein erhöhtes Korn-

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pressionsverhältnis in einem Axialverdichter zu erhalten.und doch eine völlig stabile Arbeitsweise aufrechtzuerhalten. Ein so hergestellter Kompressor zeichnet eich dadurch aus, daß es möglich wird, gleichzeitig einen stark erhöhten Durchsatz und eine sehr merkliche Druckerhöhung zu erhalten, während die nach dem bekannten Stand der Technik hergestellten Verdichter nicht die Möglichkeit gaben, gleichzeitig diese beiden Grundforderungen zu erfüllen. Eine solche Arbeitsweise ist insbesondere in der deutschen Patentanmeldung P 16 28 390.2 vom 15. 7. 1967 der Anmelderin beschrieben. Es handelt sich dort insbesondere um einen Axialverdichter mit konischem Einlauf, in dem das fluid über einen Teil seiner Strömungsbahn mit Überschall-Relativgeschwindigkeit bewegt wird.

Die deutsche Patentanmeldung P 16 28 590.2 beschreibt auch einen einstufigen Kompressor zur Durchführung dieses Verfahrens, der im wesentlichen besteht aus: einem sich kegelstumpf förmig erweiternden Einlaß und einer Kalotte, deren Scheitelteil sich auf der Achse der Antriebswelle befindet und deren Wandungen parallel zu denen der kegelstumpfförmigen Erweiterung sind; einem Verteiler mit festen oder Leitschaufeln, der in dem zwischen der Erweiterung und der Kalotte belassenen Kanal angebracht ist; einem Laufrad mit dünnen Umlenkschaufeln, das in diesem Kanal vor den Verteiler gelagert und durch die Motorwelle in Drehung versetzt wird; und einem Austrittsdiffusor (in Strömungsrichtung) hinter dem Rad.

Die deutsche Patentanmeldung P 16 28$0.2 beschreibt auch einen Kompressor mit mehreren einflutigen, zweiflutigen oder mehrflutigen Stufen, die hinsichtlich des Druckes sowohl vor wie hinter ein und dem gleichen Laufrad kompatibel sind.

Im übrigen ist es bekannt, daß es, selbst wenn zwei unter-

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schiedliche Strömungen sich auf sehr unterschiedlichem statischen Druck anströmsei tig und abströmsei tig befinden, möglich wird, sie in ein und der gleichen Stufe eines Verdichters zu verdichten,' unter der Bedingung jedoch, daß diese beiden Strömungen völlig getrennt gehalten werden. Nach den Lehren dieser bekannten Technik, dem sogenannten Gebiet der getrennten Strömungen, sind die Eintrittesammler für jede dieser beiden Strömungen unterschiedlich; jedes Laufrad ist in Höhe der Trennung der beiden Strömungen mit einer Trennwand von Flossenform versehen, die die Hauptströmung von der Sekundärströmung trennt; die Ausbildung des Anstellwinkels und der Krümmungen der Beschauflung kann zu beiden Seiten dieser Trennwand jedoch unterschiedlich sein. Die Austrittsdiffusoren sind ebenfalls getrennt. Die Verlustströmungen { zwischen diesen beiden Flüssen sind jedoch immer noch zu fürchten«.

dagegen hat es sich dann, wenn zwei zu verdichtende Strömungen oder Flüsse im wesentlichen den gleichen statischen Druck nur an einem der Enden der Verdichterstufe, sei"es am Eintritt, sei es am Austritt, haben, als vorteilhaft erwiesen, auf eine einfachere Technik als die Technik der getrennten Strömungen zurückzugreifen.

Erfindungsgemäß soll also die Verdichtung von zwei Strömungen, entweder vor oder hinter einem Laufrad, klar unterschied!ieher Ruhedrücke sichergestellt werden, d. h., wenn die beiden Strömungen nicht im obengenannten Sinne, sei es vor, sei es hinter diesem Laufrad, kompatibel sind.

Hiervon ausgehend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, um in ein und der gleichen Verdichterstufe zwei hinsichtlich des Druckes vor oder hinter dieser Stufe kompatible Strömungen unterschiedlichen Kompressionsverhältnissen auszusetzen und

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zeichnet sich dadurch aus, daß gemeinsam die beiden Strömungen allein in dem im Laufrad befindlichen Teil ihrer Strömungebahn, wo sie hinsichtlich des Druckes kompatibel sind, ver- ' dichtet werden. Das Verdichtungsverfahren ist genauso gut auf Überschallgeschwindigkeiten, wie transsonische Geschwindigkeiten, anzuwenden.

Für den Fall, wo die Strömungen anströmseitig inkompatibel sind, zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß die Strömung, deren anströmseitiger Druck kleiner ist, zunächst getrennt von der anderen Strömung verdichtet wird, bis die statischen Drücke der beiden Strömungen kompatibel gemacht sind; und daß der Seil der Beschauflung, der seine Energie der Strömung erteilt,' deren anströmseitiger Druck am größten ist, eine Anströmkante an der Stelle besitzt, wo die statischen Drücke der beiden Strömungen kompatibel geworden sind, und zwar hinter der Anströmkante für die Strömung, deren anströmseitiger Druck am geringsten war.

Für den Fall, wo die beiden Strömungen austritts- oder abströmseitig inkompatibel sind, zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, daß die Abströmkante des Schaufelteils, der seine Energie der Strömung erteilt, deren abströmeeitiger Druck am geringsten ist, an eirier Stelle angeordnet wird, wo die beiden Strömungen kompatibel sind, vor der Abströmkante des Schaufelteils, der von der Strömung beaufschlagt wird, deren abströmseitiger Druck am höchsten ist, wobei letztere dann gesondert verdichtet wird.

Erfindungsgemäß werden die Schaufelblätter des Laufrades der Stufe derart konstruiert, daß die Lage der Anströmkante und der Abströmkante des Schaufelblatteils, welcher die dem geringsten Verdichtungsverhältnis ausgesetzte Strömung beaufschlagt, derart festgelegt werden, daß vor und hinter diesem

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Schaufelblatteil die Kompatibilität der Drücke mit der das höchste Verdichtungsverhältnis erleidenden Strömung sichergestellt wird.

Die Schaufeln des Laufrades _ weisen einen Teil auf, der sich über die gesamte Tiefe des Rades erstreckt, sowie einen weiteren Teil, der sich nur über einen Bruchteil dieser Tiefe erstreckt, wobei die anströmseitigen bzw· abströmseitigen Kanten dieser Teile gemeinsam sind, d. h., daß in einem Fall die Kanten sich im wesentlichen in der Eintrittsebene des Laufrades und im anderen Fall die Abströmkanten sich im wesentlichen in der Austritteebene dieses Laufrads befinden.

In dem beiden Strömungen gemeinsamen Teil, wo ein gewisser Teil der Richtung oder der Wert der Relativgeschwindigkeit unterschiedlich sein kann, ist es erfindungegemäS von Nutzen, die beiden Strömungen durch Flossen zu trennen, wobei die Anstellung und die Wölbungen der Schaufeln zu beiden Seiten der beweglichen Trennwand unterschiedlich sein können.

Um andererseits die Tatsache zu berücksichtigen, daß der Wert oder die Richtung der Absolutgeschwindigkeit unterschiedlich für die beiden Strömungen in den festen Teilen (Leitteilen) der Vorrichtung sein können, kann es wichtig sein, die Strömungen in dieser Zone in an sich bekannter Weise, wenigstens über eine gewisse Entfernung, zu trennen·

Beispielsweise Ausführungeformen der Erfindung sollen nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 ein vertikaler Axialschnitt durch einen Verdichter nach der Erfindung 1st;

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fig. 1a zeigt eine Teildarstellung im Vertikalechnitt durch einen Verdichter, der mit Fluiden betrieben wird, deren Eintrittedrücke inkompatibel sind;

Fig. 2 zeigt perspektivisch in größerer Darstellung eine Schaufelbauart, die für einen Verdichter nach Pig. 1 verwendbar istj

Fig. 3 ist ein axialer Teilechnitt durch einen Überschallverdichter für Fluide, deren austrittsseitige Drücke inkompatibel ) Bind;

Fig. 4 zeigt perspektivisch eine Schaufelbauart, die sich im Falle des Verdichters nach Fig. 3 benützen läßt.

In Fig. 1 ist allein der Teil des AxialVerdichters mit konischem Einlauf für zwei Fluide mit inkompatiblen Eintrittsdrücken dargestellt, in welchem bei Ende der Verdichtung eine Vermischung der beiden Strömungen eintritt. Dan erkennt in den Fig. 1 und 1a die erste Stufe mit kegelstumpffÖrmiger Erweiterung 6 des Einlasses 5 für ein Fluid sowie die Kalotte 9t . die Beschallung 12, das Schaufelrad 11, den Einlaß 17 für das " zweite Fluid mit seiner kegelstumpfförmigen Erweiterung 18, im weeentlichen parallel zur Verlängerung 19 der Kalotte 9 und den Leitapparat 24 des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2 der genannten Patentanmeldung. Die innere Trennwand 30 für die beiden Strömungen ist bis über die Beschauflung 12 verlängert. Diese Beschallung 12 umfaßt erfindungsgenäß einen Teil 12', der eich über die gesamte Tiefe des Laufrads erstreckt,und einen mit dem Teil 12* verbundenen Teil 12",

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der allein einen Seil der Tiefe des Laufrads einnimmt. Die Anströmkante des Teiles Ί2" befindet sich an einer Zwischensteile, wo die Drücke der beiden Strömungen kompatibel sind, und dessen Abström- oder Austrittskante fällt im wesentlichen mit der Abströmkante des Elementes 12' zusammen. Die beiden Teile 12* und 12" der Beschallung 12 sind durch eine dünne, mit der Schaufel verbundene, "PIosse" bezeichnete Trennwand y\ getrennt, die sich über das Laufrad hinaus in einer festen Trennwand 32 (siehe Pig. 1a) fortsetzt.

In Fig. 2 erkennt man, daß die Schaufel 12 einen Schaufelfuß 13 aufweist, wobei der Teil 12* der Schaufel die gesamte Tiefe des Laufrades einnimmt und der Teil 12" nur einen Teil dieser Tiefe einnimmt. Schließlich erkennt man die Anordnung der Flosse 31, die eine Trennung zwischen den beiden Strömungen aufrechterhält, um die Inkompatibilität ihrer Geschwindigkeiten zu berücksichtigen.

Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Eb wird angenommen, daß im- vorderen äußeren, durch die Trennwand 30 begrenzten Kanal der Druck der Sekundärströmung 300 Millibar und 200 Millibar in der Hauptströmung beträgt und daß man einen Druck von 400 Millibar hinter der Verdichterstufe zu erhalten wünscht. Unter diesen Bedingungen beträgt das maximale Verdichtungsverhältnis des Bades 2, und das Verhältnis zwischen dem erhöhten Druck (300 Millibar) und dem Druck der Hauptströmung (200 Millibar) ist gleich 1,5 und damit kleiner als das maximal mögliche Verdichtungsverhältnis.

Im Kanal der Hauptströmung, die von der Sekundärströmung durch die Verlängerung der Innenwandung 30 getrennt ist, wird die Strömung von 200 auf 400 Millibar, in dem Ausmaß, wie sie sich in Strö-oungsrichtung fortbewegt, komprimiert. Ausgehend vom Druck von 200 Millibar erreicht sie 300 Millibar, welches

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der Eintrittsdruck der Sekundärströmung ist· Man kann dann zusammen die beiden Strömungen aufgrund der Verlängerung des Schaufelteiles 12· durch den Teil 12^M verdichten. Hieraus resultiert, daß die Anströmkante des !Teiles 12" genau an der Stelle sich befindet, wo der im Hauptkanal zunehmende Druck den Wert von 500 Millibar entsprechend dem Druck der Sekundär» strömung am Eintritt passiert. Es wird also prinzipiell möglich, frei die beiden Strömungen kommunizieren zu lassen, da sie hinsichtlich des Druckes von diesem Zeitpunkt an ja kompatibel sind. Jedoch sind die Richtungen der Geschwindigkeiten dieser in Fig. 1a durch Pfeile angegebenen Strömungen noch nicht vollkommen oder auf jeden Fall noch unzureichend parallel. Um diese Differenz zu beheben, ordnet man erfindungsgemäß eine .Flosse 31 zur Trennung der beiden Teile 12' und 12" der Schaufel 12 an. Da die Richtungen der Geschwindigkeiten am Austritt aus dem Rad noch unterschiedlich sind, verlängert man die Trennwand 32 um ein gewisses Stück, um es zu ermöglichen, gleichzeitig eine Kompatibilität der Drücke und der Geschwindigkeiten zu erreichen.

Nach dem Ausführungsbeispiel der tfig. 3 und 4 sind die Drücke vor der Verdichterstufe 33 gleich; die Drücke dahinter sind jedoch unterschiedlich. Dies gilt insbesondere, wenn ein Teil der aus einer Verdichterstufe austretenden Strömung für einen Hilfezweck entnommen wird. Das betrachtete Aueführungebeispiel befaßt eich insbesondere mit der ersten Stufe 33 eines axialen Überschallkompresßors mit konischem Einlauf, ist jedoch auch für jeden anderen Verdichtertyp zweckmäßig.

Der Eintritt der Strömung erfolgt über einen Einlauf 34 entsprechend dem der genannten Patentanmeldung.

Nach Durchgang durch die erste Stufe 33 wird ein Teil der Strömung zur folgenden Stufe 35 geleitet, ein anderer Teil

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der Strömung wird in Höhe der ersten Stufe 35 entnommen und unter einem geringeren Druck einer Volute 36 zugeführt.

Im Gegensatz zur Beschauflung nach der Anmeldung P 16 28 390.2 umfassen die Schaufeln 37 nach der Erfindung (Fig. 4) einen Teil 37'» der die gesamte Tiefe des Kenais entsprechend der Strömung einnimmt, die die größte Verdichtung erleiden muß, während der Teil 37"» der der abgezweigten Strömung entspricht, eine mit dem Teil 37' gemeinsame Anströmkante aufweist; seine Abström- oder Austrittskante befindet" sich jedoch vor der Abströmkante des Teiles 37' senkrecht über der Stelle, wo der statische Druck in beiden Kanälen den Wert erreicht, den er hinter dem Ableitungskanal haben muß·

Sine Trennwand, wie z. B. 38, trennt die beiden Strömungen und trägt dazu bei, den Ableitungskanal zu bilden.

Die Arbeitsweise einer solchen Verdichterstufe ist die folgende: Ein Teil der aus dem Einlauf 34 kommenden Strömung geht . durch die Stufen 33 und 35 des Verdichters und tritt aus der ersten Stufe 33 aus, nachdem er beispielsweise ein Verdichtungsverhältnis von 2 erlitten hat, während der abgeleitete Fluß bzw. die abgezweigte Strömung nur ein Verdichtungsverhältnis von 1,2 erlitten hat· Die Ausbildung der Schaufelzwischenkanäle des Schaufelteiles 37* und die Lage der Auetrittskante des Teiles 37" sind derart, daß die Rekompresaionszone mit starkem Gradient in dem durch die Teile 37* begrenzten Teil de? Kanals eich hinter der die Abströmkanten der Schaufelelemente wie 37" enthaltenden Ebene, d. h. in der schraffierten Schaufelblattzone der Fig. 4, befindet·

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

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J-/ Vorrichtung, um in ein und der gleichen Stufe eines Axialkompressors ein mit Überschall-Helativgeschwindigkeit auf einem Teil seines Weges bewegtes Fluid unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen auszusetzen, das aus zwei druckkompatiblen JFlÜBsen oder Strömungen gebildet ist, entweder vor oder hinter dieser Stufe, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die es ermöglichen, gemeinsam die beiden Strömungen allein in dem Teil ihrer Strömungsbahn zu verdichten, wo sie hinsichtlich des Druckes kompatibel sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zu verdichtenden Strömungen hinsichtlich des Druckes vor einer Verdichtungsstufe inkompatibel sind, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die es ermöglichen, getrennt die Strömung, deren anströmseitiger Druck am geringsten ist, zu verdichten, bis die statischen Drücke der beiden Strömungen kompatibel gemacht sind, und daß der Schaufelteil (12"), der seine Baergie der Strömung, deren anströmseitiger Druck am größten ist, erteilt, eine Anströmkante an der Stelle aufweist, wo die statischen Drücke der beiden Strömungen hinter der Anströmkante, die die Strömung beaufschlagt, deren anströmseitiger Druck am geringsten war, kompatibel gemacht sind·
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zu verdichtenden Strömungen hinsichtlich des Druckes hinter einer Verdichtungsstufe inkompatibel sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmkante des Schaufelteiles (37"), der seine Energie der Strömung erteilt, deren Auetrittsdruck am geringsten ist, an einer Stelle, wo die beiden Strömungen kompatibel sind, vor der Abströmkante des Schaufelteiles angeordnet wird, der die Strömung beaufschlagt, deren Austrittsdruck am höchsten ist, 'wobei letztere anschließend gesondert verdichtet wird.

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4. Verdichter, bei dem das mit einer Überschall-Relativgeschwindigkeit auf einem Teil seines Weges bewegte Fluid in ein und der gleichen Verdichtungsstufe aus zwei hinsichtlich des Druckes kompatiblen? Strömungen entweder vor oder hinter dieser Stufe gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter des Laufrades dieser Stufe derart aufgebaut sind, >daß die Lage der Anetrömkante und die Lage der Abströmkante des die Strömung mit dem kleinsten Verdichtungsverhältnis beaufschlagenden Schaufelteiles derart bestimmt werden, daß vor und hinter diesem Schaufelteil (37^M) die Kompatibilität der Drücke mit der Strömung hergestellt wird, die das höchste Verdichtungsverhältnis erleidet.
5- Verdichter nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln des Laufrades einen Teil aufweisen, der sich über die gesamte Tiefe der Schaufel erstreckt, und einen anderen Teil, der sich nur über einen Bruchteil dieser Tiefe erstreckt, wobei die Eintritts- bzw. Austrittskanten dieser beiden Teile gemeinsam sind.
6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmkanten (Fig. 4·) sich im wesentlichen in der Eintritt sebene des Laufrades befinden, wenn die Drücke vor dem Laufrad kompatibel sind.

?. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskanten (Fig. 2) im wesentlichen in der Austrittsebene der Laufschaufeln sich befinden, wenn die Drücke hinter dem Laufrad kompatibel sind.

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