CH705822A1 - Axialverdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine. Ein kleiner Teil des Massenstroms (F) eines Axialverdichters hinter der letzten Verdichterstufe wird vor oder zu der Saugseite einer stromaufwärts befindlichen Verdichterstufe zurückgeführt (zurückgeleitet). Dadurch wird der Stabilitätsbereich des Axialverdichters erhöht.

Description

Technischer Bereich

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Gasturbinen und vergleichbare Strömungsmaschinen umfassen in der Regel Axialverdichter zur Bereitstellung eines Druckluftstroms für einen Verbrennungsvorgang. Verglichen mit anderen Verdichtertypen zeichnen sich Axialverdichter durch einen hohen Wirkungsgrad aus, wobei auf der Druckseite des Verdichters hohe Drücke erzielt werden können, wenn der Axialverdichter über eine ausreichende Vielzahl an Verdichterstufen verfügt. Jedoch erhöht sich der konstruktive Aufwand mit der Erhöhung der Anzahl von Verdichterstufen stark. Daher ist die Zielsetzung, einen hohen Druck auf der Druckseite des Verdichters selbst mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Stufen zu ermöglichen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass jede Verdichterstufe eine vergleichsweise grosse Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckseite der jeweiligen Verdichterstufe erzeugen bzw. aufrechterhalten können muss. Bei den heutigen Axialverdichtern kann dies mit einer hohen Zuverlässigkeit gewährleistet werden.

[0003] Gleichzeitig bleibt es schwierig, ein stabiles Betriebsverhalten unter wechselnden Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Es besteht immer die Gefahr eines Verdichterströmungsabrisses, insbesondere auf der Saugseite der Läuferschaufeln. In einem solchen Fall fällt der vom Axialverdichter erzeugte Massenstrom des zu komprimierenden Fluids plötzlich ab, wobei im schlimmsten Fall sogar ein Rückhub des zu verdichtenden Fluids eintreten kann.

[0004] Aus diesem Grund wird beim Entwurf eines Axialverdichters regelmässig auf einen grossen Stabilitätsbereich der Verdichterstufen abgezielt.

Kurze Darstellung der Erfindung

[0005] Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stabilitätsbereich eines Axialverdichters bei sehr hohen Druckverhältnissen zu erhöhen, insbesondere im Teillastbereich (bei geschlossenen VGV = variable guide vanes = verstellbaren Leitschaufeln) und/oder bei kalter Umgebungstemperatur und/oder kalten Triebwerken.

[0006] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe für einen Axialverdichter gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eine Rückführung (Rückleitung) eines Teils des Massenstroms des zu komprimierenden Strömungsmediums vorgesehen wird, wobei insbesondere ein Fluid aus einem Auslassbereich hinter der letzten Stufe des Verdichters zu einem Einlass bzw. der Saugseite der Leitschaufeln einer oder mehrerer zwischengeschalteter Verdichterstufen in Strömungsrichtung im Strömungspfad geführt werden kann.

[0007] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Stabilitätsbereich im Strömungspfad der letzten Verdichterstufen durch Erhöhung des dort auftretenden Massenstroms zu erweitern. Dadurch wird das Risiko eines Verdichterströmungsabrisses an den Saugseiten der letzten Verdichterstufen deutlich verringert, und es wird gewährleistet, dass die letzten Verdichterstufen auch unter schwierigen Betriebsbedingungen des Axialverdichters betrieblich sicher funktionieren, beispielsweise bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder während der Warmlaufphase des Triebwerks bei gleichzeitiger Erweiterung der Spaltbreiten zwischen den radialen Enden der Läuferschaufeln/Leitschaufeln und den Gehäuse-/Läuferwänden, die den Strömungspfad umschliessen. Gleichzeitig ist gewährleistet, dass die vorderen Verdichterstufen nur gegen einen verhältnismässig geringen Abgasgegendruck arbeiten müssen, und ihre Betriebssicherheit wird ebenfalls stabilisiert.

[0008] Gemäss den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 umfasst die Rückführung Einblasdüsen oder Mittel, über die der rückgeführte Massenteilstrom in Strömungsrichtung in den Strömungspfad direkt neben der Gehäusewand und / oder durch Kanäle auf den Schaufeln in der Nähe der Läuferwand und / oder an mittleren radialen Positionen zurückgeführt werden kann; wird die Rückführung über eine oder mehrere Zwischenstufen im Verdichter, bevorzugt drei bis sechs Verdichterstufen vor den letzten Stufen, geführt; ist innerhalb einer Endgruppe der Verdichterstufen ein im Wesentlichen konstanter Durchmesser der Läuferwelle vorgesehen und ein radialer Abstand, der zwischen dem Läuferumfang und der Gehäusewand konzentrisch dazu gemessen wird, sinkt um etwa 2-3 %, bezogen auf den radialen Abstand an der vordersten Verdichterstufe der Endgruppe; befindet sich die Rückführung zwischen der Druck- bzw. Auslassseite der letzten Verdichterstufe der Endgruppe und der Einlass- bzw. Saugseite einer Verdichterzwischenstufe dieser Endgruppe; ist in der Rückführung eine Steuer- und/oder Absperrventilanordnung angeordnet; ist die Rückführung für einen Massenteilstrom ausgelegt, dessen Grössenordnung etwa 0,5 % -10 %, bevorzugt 2 %, des Gesamtmassenstromes des komprimierten Strömungsmediums, das hinter der letzten Verdichterstufe auftritt, entspricht, ist ein Abstandsraum, der sich in axialer Richtung des Läufers zwischen einer Endgruppe der Verdichterstufen und vorhergehenden Verdichterstufen im Strömungspfad erstreckt, vorgesehen, wobei innerhalb dieses Raums der Querschnitt des Strömungspfades abnimmt; nimmt der Querschnitt des Strömungspfades um ca. 50-80 % ab; sind auf der Saugseite der ersten Verdichterstufe, d.h. auf der Saugseite der in Strömungsrichtung vordersten Schaufeln des Verdichters, verstellbare Leitschaufeln angeordnet; ist zumindest die erste Verdichterstufe als transsonische Verdichterstufe ausgeführt.

[0009] Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der konstruktive Aufwand für die erfindungsgemäss vorgesehene Rückführung gering ist. Lediglich Rückführungsleitungen müssen im Wesentlichen vorgesehen werden, deren Einlassöffnungen hinter der letzten Stufe angeordnet werden müssen und deren Auslässe in Verdichterzwischenstufen angeordnet sein müssen, beispielsweise in Form von Schlitzdüsen, die zur Saugseite der Verdichterleitschaufeln, die vor den letzten Verdichterstufen angeordnet sind, führen. Durch eine geeignete Wahl des Querschnitts der Lochdüsen kann gewährleistet werden, dass der rückgeführte Teil des Massenstroms den Gesamtwirkungsgrad des Axialverdichters lediglich auf annehmbare Weise verringert.

[0010] Hier wird der Vorteil ausgenutzt, dass der Stabilitätsbereich der Endstufen des Axialverdichters sogar in einem Stadium, in dem nur ein geringer Teil des von den Endstufen erzeugten Massenstroms rückgeführt wird, signifikant vergrössert wird. Prüfungen haben ergeben, dass eine Rückführungsgrössenordnung von 2 % des Massenstroms, der von den letzten Verdichterstufen erzeugt wird, zu einer signifikanten Erhöhung der Betriebsstabilität des Axialverdichters führt.

[0011] Es hat sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erwiesen, die Düsen der Rückführungsleitungen in einer solchen Weise auszuführen, dass eine dünne Strömungsschicht mit hoher dynamischer Energie an der Gehäusewand zur Begrenzung des Strömungspfads erzeugt wird.

[0012] Obwohl es hinsichtlich der Einfachheit der Konstruktion und einer ausreichenden Erhöhung der Stabilität des Verdichterbetriebs vorteilhaft und ausreichend ist, wenn die Rückführung im Wesentlichen nur zur Erzeugung einer Strömungsschicht nahe der Wand im Bereich der Gehäusewand eingesetzt wird, ist es jedoch prinzipiell möglich, den zurückgeführten Teil des Massenstroms in den Strömungspfad zu blasen, selbst dicht an der Läuferwelle, wenn beispielsweise die Rückführungsleitungen mit entsprechenden Kanälen in den stationären Leitschaufeln verbunden sind und die Ausblasdüsen für den zurückgeführten Fluidstrom an den Enden der Leitschaufeln an der Läuferwellenseite angeordnet sind.

[0013] Da grundsätzlich die Düsen an beliebigen Stellen der Leitschaufeln angeordnet werden können, kann die rückgeführte Teilströmung grundsätzlich an beliebigen Stellen zwischen dem Gehäuse und der Läuferwelle in den Strömungspfad eingeführt werden.

[0014] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können Rücklaufleitungen, die abgesperrt werden können, vorgesehen werden, so dass die Rückführung wahlweise eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann, wobei die Rückführung bevorzugt nur im Falle von besonderen Betriebsphasen eingeschaltet wird, beispielsweise bei sehr kalten Umgebungsbedingungen, mit geschlossenen VGV (verstellbaren Leitschaufeln) und bei kaltem Triebwerk. Im «Normalbetrieb» kann jedoch auf eine Rückführung verzichtet werden.

[0015] Zu diesem Zweck können Absperrventile in den Rückführungsleitungen vorgesehen werden, d.h. der konstruktive Aufwand für die Absperrung ist vergleichsweise gering.

[0016] Gegebenenfalls können Ventile, deren Öffnungsquerschnitt ebenfalls gesteuert werden kann, dazu verwendet werden, den rückgeführten Massenstrom in geeigneter Weise steuern zu können.

[0017] Andernfalls wird bezüglich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand derer eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche von funktionell gleichen Bauteilen beziehen.

[0019] Es zeigen, jeweils schematisch: <tb>Fig. 1<sep>eine schematische Schnittansicht eines Axialverdichters gemäss der Erfindung, <tb>Fig. 2<sep>eine vergrösserte Darstellung des in Strömungsrichtung hinteren Drittels des Strömungspfads entsprechend Fig. 1 und <tb>Fig. 3<sep>einen Axialschnitt eines Axialverdichters in Ausführungsdarstellung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0020] In den Fig. 1 und 2 bezeichnet A jeweils die Achse eines Läufers eines Axialverdichters. Die Linie R zeigt den Verlauf bzw. die Form des Aussenumfangs der Läuferwelle und G den Verlauf bzw. die Form einer die Läuferwelle mit Radialabstand umschliessenden Gehäusewand. Entsprechend bildet der verbleibende Ringraum zwischen dem Aussenumfang R der Läuferwelle und der Gehäusewand G einen Strömungspfad P, der sich in Strömungsrichtung F des zu komprimierenden Strömungsmediums verengt, innerhalb dessen in grundsätzlich bekannter Weise jeweils die Läuferschaufeln B auf der Läuferseite und die Leitschaufeln V auf der Gehäuseseite nebeneinander in Reihen in Umfangsrichtung der Läuferachse A angeordnet sind. Einige Schaufeln können verstellbar sein, sodass die Möglichkeit entsteht, die Strömungsrichtung der vom Axialverdichter angesaugten Luft zu steuern und den für das Gas zur Verfügung stehenden Öffnungsquerschnitt zu ändern.

[0021] Diese steuerbaren Schaufeln werden auch als «verstellbare Leitschaufeln (VGV -variable guide vanes)» bezeichnet.

[0022] Die erste steuerbare Schaufel wird auch als «verstellbare Einlass-Leitschaufel (VIGV - variable inlet guide vane)» bezeichnet.

[0023] Auf dem Strömungspfad P zwischen dem Läuferumfang R und der Gehäusewand G wird das zu verdichtende Gas in Strömungsrichtung F bewegt und dabei zunehmend von den Verdichterstufen, die jeweils eine Reihe Läuferschaufeln B und mindestens eine Reihe Leitschaufeln V umfassen, verdichtet. In dem speziellen Beispiel, dringt das Druckgas dabei in Strömungsrichtung F in einen Abstandsraum D ein (wo eine konstante Entnahme zum Zweck der Turbinenkühlung vorgenommen wird) und erreicht die Endverdichterstufen, die eine Gruppe E bilden.

[0024] Das Ende des Verdichters ist mit einer Rückführung C für ein druckbeaufschlagtes Fluid ausgestattet, d.h. eine einzelne oder mehrere Rückleitungen zweigen hinter der letzten Verdichterstufe vom Strömungspfad P ab und führen zu düsenartigen Öffnungen vor der Saugseite einer Verdichterzwischenstufe. Bevorzugt wird die Rückführung C mit einer Absperrvorrichtung und/oder einer Steuerventilanordnung S versehen, so dass die rückgeführte Druckfluidmenge gesteuert oder die Rückführung C abgesperrt werden kann.

[0025] Die Rückführung C wird vorzugsweise so bemessen, dass beispielsweise 2 % des Massenstroms des auf der Auslassseite der letzten Verdichterstufe vorliegenden Generatordruckfluids zurückgeführt werden können.

[0026] Somit kann der maximal zulässige Druck hinter der letzten Verdichterstufe um ca. 5 % erhöht werden, ohne einen Verdichterströmungsabriss an den

[0027] Verdichterstufen, insbesondere an den letzten Verdichterstufen, befürchten zu müssen.

[0028] In . 3 ist eine Schnittansicht eines Axialverdichters entsprechend Fig. 1, als Ausführungsdarstellung gezeigt. Abweichend von Fig. 1ist bei der Ausführungsform von Fig. 3 zwischen einer letzten Gruppe E von Verdichterstufen und davor angeordneten Verdichterstufen kein Abstandsraum D vorgesehen.

[0029] Die Rückführung C bzw. deren Rückleitungen zweigen von einem Übergangsraum zu einer Turbine, die nicht gezeigt ist, ab und führen zu Öffnungen, die im gezeigten Beispiel vor oder auf der Saugseite der Leitschaufeln vor der fünftletzten Verdichterstufe angeordnet sind. Eine Ventilanordnung S wird wiederum bereitgestellt, um die Rückführung absperren bzw. steuern zu können.

[0030] Darüber hinaus ist in Fig. 3offensichtlich, dass verstellbare Leitschaufeln I vor der/den ersten Verdichterstufen auf ihren mit Bezug auf die Achse A des Läufers R radialen inneren Enden an einer radial inneren Gehäusewand g montiert werden können, wobei deren konische Form den äusseren Umfang des Läufers R stufenlos fortsetzt.

Bezugszeichenliste

[0031] <tb>A<sep>Läuferachse <tb>R<sep>Aussenumfang der Läuferwelle <tb>G<sep>Gehäusewand <tb>F<sep>Strömungsrichtung <tb>P<sep>Strömungspfad <tb>B<sep>Läuferschaufeln <tb>V<sep>Leitschaufeln <tb>D<sep>Abstandsraum <tb>J<sep>Verstellbare Leitschaufeln auf der Einlassseite <tb>E<sep>Endgruppe der Verdichterstufen <tb>C<sep>Rückleitung (Rückführung) <tb>S<sep>Ventilanordnung <tb>G<sep>Gehäusewand

Claims (11)

1. Axialverdichter für eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Gasturbine - mit einem Strömungspfad (P), der sich zwischen einer Läuferwelle (R) und einer relativ stationären Gehäusewand (G) konzentrisch dazu in axialer Richtung (A) der Läuferwelle (R) erstreckt, und - mit einer Vielzahl von Verdichterstufen, die im Strömungspfad (P) axial nacheinander angeordnet sind und jeweils mindestens eine Läuferschaufelreihe und eine nachfolgende Leitschaufelreihe umfassen, - wobei jede Läuferschaufelreihe aus Läuferschaufeln (B) besteht, die nebeneinander auf der Läuferwelle (R) in Umfangsrichtung angeordnet sind, und jede Leitschaufelreihe aus Leitschaufeln (V) besteht, die an der genannten Gehäusewand (G) nebeneinander in Umfangsrichtung angeordnet sind, und - wobei der Strömungspfad (P) und die darin arbeitenden Verdichterstufen bei Verdichterbetrieb in Strömungsrichtung (F) von einem Massenstrom eines zu komprimierenden Fluids durchdrungen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung (C) eines Teils des Massenstroms aus dem Verdichterauslass vorgesehen ist, wobei weiter bevorzugt ein Fluid aus dem Auslassbereich hinter der letzten Stufe des Verdichters zu einem Einlass bzw. der Saugseite der Leitschaufeln einer oder mehrerer zwischengeschalteter Verdichterstufen in Strömungsrichtung (F) im Strömungspfad (P) geführt werden kann.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (C) Einblasdüsen oder Mittel, über die der rückgeführte Massenteilstrom in Strömungsrichtung (F) in den Strömungspfad (P) direkt der Gehäusewand (G) und / oder durch Kanäle auf den Schaufeln in der Nähe der Läuferwand und/oder an mittleren radialen Positionen zurückgeführt werde kann, umfasst.

3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (C) über eine oder mehrere Zwischenstufen im Verdicht bevorzugt drei bis sechs Verdichterstufen vor den letzten Stufen, geführt wird.

4. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Endgruppe (E) der Verdichterstufen ein im Wesentlichen konstanter Durchmesser der Läuferwelle (R) vorgesehen ist und ein radialer Abstand, der zwischen dem Läuferumfang (R) und der Gehäusewand (G) konzentrisch dazu gemessen wird, um etwa 2-3 %, bezogen auf den radialen Abstand an der vordersten Verdichterstufe der Endgruppe sinkt.

5. Axialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rückführung (C) zwischen der Druck- bzw. Auslassseite der letzten Verdichterstufe der Endgruppe (E) und der Einlass- bzw. Saugseite einer Verdichterzwischenstufe dieser Endgruppe (E) befindet.

6. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführung (C) eine Steuer- und/oder Absperrventilanordnung (S) angeordnet ist.

7. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung (C) für einen Massenteilstrom, dessen Grössenordnung etwa 0,5 % -10 %, bevorzugt 2 %, des Gesamtmassenstromes des komprimierten Fluids ausgelegt ist, das hinter der letzten Verdichterstufe auftritt, entspricht.

8. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung (A) des Läufers (R) erstreckend ein Abstandsraum (D) zwischen einer Endgruppe (E) der Verdichterstufen und den vorhergehenden Verdichterstufen im Strömungspfad (P) vorgesehen ist, wobei innerhalb dieses Raums (D) der Querschnitt des Strömungspfads (P) abnimmt.

9. Axialverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Strömungspfades (P) um ca. 50 - 80 % abnimmt.

10. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Saugseite der ersten Verdichterstufe verstellbare Leitschaufeln (I) angeordnet sind.

11. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Verdichterstufe als transsonische Verdichterstufe ausgeführt ist.