NL8105790A - Werkwijze voor het verbeteren van het deellastgedrag van een stromingsmachine, alsmede compressor of pomp in gericht voor het toepassen van deze werkwijze. - Google Patents

Description

8ι.5052/Μ/ΤΗ

Korte aanduiding: Werkwijze voor het verbeteren van het deellastge- drag van een stromingsmachine, alsmede compressor of pomp ingericht voor het toepassen van deze werkwijze.

Bij het bedrijven van een stromingsmachine streeft men ernaar binnen het zogenaamd stabiele gebied te blijven en vooral niet de grenslijn met het instabiele gebied te overschrijden. Deze grenslijn wordt ook wel aangegeven als de grens van overtrekken 5 (stalling) en wordt in de praktijk vaak aangeduid als surge-line.

Er treedt in dat geval een sterke aërodynamische pulsatie op die mechanische schade kan veroorzaken aan de stromingsmachine. Een stromingsmachine wordt steeds ontworpen zodanig dat deze ruimschoots binnen het stabiele gebied functioneert. Vaak kan echter in een 10 stromingsmachine niet worden vermeden dat bij vermindering van de hoeveelheid medium dat door de machine stroomt de grens tussen het stabiele en het instabiele gebied wordt overschreden.

Men heeft reeds getracht op twee manieren aan deze tekortkomingen een einde te maken. Zo is het bekend een zogenaamde 15 afblaasklep te plaatsen aan de uittreezijde van de stromingsmachine. Door het afblazen van een deel van het door de machine stromende medium wordt bereikt, dat de machine meer medium verwerkt dan op dat moment feitelijk vereist is, hetgeen echter de mogelijkheid opent dat de stromingsmachine weer funtioneert in het stabiele 20 gebied, echter met lager rendement.

Een andere werkwijze voor het beïnvloeden van de stroming van een medium binnen een machine bestaat hierin dat maatregelen worden genomen voor het verplaatsen van de grenslijn tussen het stabiele en het instabiele gebied. Deze maatregelen bestaan 25 bij voorbeeld uit de toepassing van verstelbare leidschoepen aan de inlaat van de machine. In principe wordt daarmee bereikt, dat de relatieve instroomhoek van het medium in de machine ook bij verschillende mediumhoeveelheden constant gehandhaaft blijft op de waarde die bij het ontwerp van de machine werd gekozen. Een bezwaar van 30 deze werkwijze die ook wel wordt aangeduid met "variabele geometry" bestaat daarin dat de constructie vrij kostbaar en ingewikkeld is.

De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen voor het beïnvloeden van de stroming van het medium binnen een machine, waarin met behulp van ten minste een rotor een verplaatsing 8105790 - 2 - en een drukverhoging van het medium tot stand wordt gebracht, zonder daarbij toevlucht te hoeven nemen tot een van beide hiervoor beschreven maatregelen. De werkwijze volgens de uitvinding onderscheidt zich door een aanvoer van extra medium in de ter plaatse hoofdzake-5 lijk radiaalgerichte toevoerstroom naar de rotor, waarbij althans een bewegingscomponent van het extra aangevoerde medium tangentiaal is gericht aan de draaiing van de rotor. Als gevolg hiervan zal de toevoerstroom ter plaatse een zekere tangentiale snelheidscompo-nent krijgen.

10 Daar de extra mediuminjectie plaats vindt op een radius die groter is dan de radius van de rotorinlaat, zal, op basis van het vrije-wervelprincipe, de tangentiale snelheidscomponent toenemen naarmate de toevoerstroom naar kleinere radii beweegt. Uiteindelijk wordt nu de instroomhoek van het medium ter plaatse van 15 de rotorinlaat aanzienlijk beïnvloed, terwijl daarvoor slechts een geringe impuls (extra mediuminjectie) nodig is. De beïnvloeding heeft ten doel de aanstroomsnelheid van de rotor zodanig af te laten wijken van de axiale richting (hetzij in de richting van de rotoromtrek-snèlheid: meerotatie, hetzij daar tegengesteld aan: tegenrotatie) 20 dat de relatieve instroomsnelheid een richting krijgt die bij een kleinere massastroom dan toegestaan volgens de oorspronkelijke ligging van de surge-line toch stabiele werking mogelijk maakt.

Deze nieuwe werkwijze welke kan worden gekarakteriseerd door de uitdrukking "vortex control" moet niet verward wor-25 den met de methode van luchtinjectie in de axiale inlaat van een compressor. In die bekende werkwijze wordt immers geen gebruik gemaakt van de versterkende invloed van het verschil in radius tussen plaats van mediuminjectie en rotor inlaat op de tangentiale snelheidscomponent van de toevoerstroom, zoals dit wel het geval is bij 30 de werkwijze volgens de uitvinding. De uitvinding maakt het tevens mogelijk gedurende de startcyclus de thermische belasting van de turbine te verminderen.

In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze die wordt toegepast in een compressor voor gas-35 vorming medium. In dat geval wordt langs een aantal kransvormig in de toevoer van het te comprimeren medium aangebrachte aanvoer-plaatsen een regelbare extra gashoeveelheid in de orde van 0,1 tot 5,0% van de hoofdmediumstroom aangevoerd.

8105790 - 3 -

De uitvinding heeft voorts betrekking op een stromingsmachine voor het toepassen van de hierboven beschreven werkwijze, omvattende een van een invoer en een uitlaat voorzien huis met in dit huis ten minste een aangedreven rotor voorzien van 5 schoepen waarmede een stroommedium vanaf de invoer binnen het huis wordt verplaatst, vervolgens op een hoger drukniveau wordt gebracht en ten slotte via de uitlaat wordt afgevoerd. Volgens de uitvinding onderscheidt zich deze stromingsmachine doordat in het gebied van de inlaat middelen aanwezig zijn voor de gerichte toevoer van extra 10 medium in de stroom naar de rotor. Bij toepassing van een inlaat-stuk waarmee het medium in hoofdzaak radiaal wordt aangezogen, kunnen de mediumtoevoermiddelen bestaan uit gasmondstukken die concentrisch zijn opgesteld ten opzichte van de hartlijn van de rotor.

Vaak zijn in het invoergedeelte van het huis een 15 aantal afstandstaven (zogenaamde struts) aangebracht dwars op de gasstroming. In dat geval worden gasmondstukken gevormd door ope-ningen in toevoerbuizen, die zijn aangesloten op de uitlaat (perszijde) van de compressor of pomp en die op een kleinere straal evenwijdig aan deze afstandstaven zijn geplaatst. Daarnaast kan het soms 20 mogelijk zijn holle afstandstaven toe te passen, deze te voorzien van mondstukken en aan te sluiten op de compressoruitlaat.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, die een enkel schema en een uitvoeringsvorm van cb stromingsmachine weergeeft.

25 De fig. 1 en 2 geven grafisch de karakteristiek weer voor een compressor.

De fig. 3 en ^ tonen aan vereenvoudigde dwarsdoorsnede respectievelijk langsdoorsnede van een radiale compressor.

Fig. 5 geeft grafisch de resultaten weer van 30 berekeningen die zijn gebaseerd op metingen aan een statisch model van een compressor volgens fig. 3 en k. Deze berekeningen zijn hier gecombineerd met gemeten compressorkarakteristieken.

Fig. 1 toont de werklijnen I en II bij respectievelijk gasturbine toepassing (i) of gebruik als procescompressor 35 (II), beginnende bij het zogenaamde design point 1 bij vollast.

De krommen 2, 5, k geven de gebruikelijke compressorkarakteristieken bij respectievelijk vollast alsmede deellast (+ 50%) en deellast ( + 20%). Langs de verticale as 5 is de drukverhouding weergegeven 8105790 . * - k - terwijl langs de horizontale as 6 de massastroming is aangeduid.

In deze grafiek is een streeplijn 7 afgebeeld die de grens weergeeft tussen het stabiele en het instabiele gebied, ook wel aangegeven met de grens van overtrekken (stalling). In de praktijk wordt deze 5 lijn 7 ook wel de surge-line genoemd.

Uit de grafiek volgens fig. 1 is duidelijk dat reeds bij een vermindering tot + 75$ van de massastroom de grens van overtrekken wordt bereikt. Volgens de uitvinding wordt nu het verloop van de surge-line 7 zodanig beïnvloed dat deze te allen tijde 10 aan de linker zijde blijft liggen van de werklijnen I en II van de stromingsmachine (zie fig. 2) zonder dat daarbij de afstand tot die werklijn te groot wordt. Dit geschiedt door de aanvoer van een zeer geringe hoeveelheid extra medium in de toevoerstroom naar de rotor van de machine. Deze aanvoer geschiedt zodanig dat een kleine 15 extra impuls aan de toevoerstroming wordt gegeven en wel in tangentia-le zin. Dit kan zowel meedraaiend als tegendraaiend geschieden, waarvan het effect weergegeven is in respectievelijk de lijn 8 en de lijn 9 van fig. 2.

Een wijze om dit te bereiken is aangegeven in de 20 fig. 3 en In deze figuren is een stromingsmachine in de vorm van een luchtcompressor weergegeven omvattende een huis 10 met een invoer 11 en een uitlaat 12. Binnen het huis 10 bevindt zich een aangedreven rotor 13 voorzien van schoepen 14 waarmede een stroom medium vanaf de invoer 11 binnen het huis 10 wordt verplaatst, ver-25 volgens op een hoger drukniveau gebracht en ten slotte via de uitlaat 12 wordt afgevoerd. In het gebied van de invoer 11 zijn middelen 15 aanwezig voor de gerichte toeover van extra medium in de stroom naar de rotor 13· Daarbij wordt gebruik gemaakt van holle toevoerbuizen 16, die in een krans dwars op de gasstroming zijn 30 aangebracht, evenwijdig aan de afstandstaven 17· In deze holle toevoerbuizen 16 zijn gasmondstukken 18 gevormd die een hoek insluiten met het erlangs stromende medium. De toevoerbuizen 16 zijn concentrisch opgesteld ten opzichte van de hartlijn 19 van de rotor 13· De gastoevoer naar de buizen 16 geschiedt door een (niet afge-35 beelde) verbinding met de uitlaat 12 van de stromingsmachine, in dit geval een compressor.

Fig. 5 geeft resultaten weer van berekeningen gebaseerd op metingen, die zijn verricht aan de intreezijde 11 van 8105790 . * - 5 - een compressor, overeenkomstig de fig. 3 en k. Deze metingen zijn verricht langs de omtrek van de steekcirkel waarbij de stromings-hoeken zijn opgemeten in een toestand zonder en met gasinjectie.

Het verschil van beide waarden levert de hoekverdraaiing. Daarbij 5 is geconstateerd dat een gemiddelde hoekverdraaiing van 5° tot 10° wordt verkregen door een injectie met gas tot een hoeveelheid van 1% a 2# van de hoofdstroom. Daarbij wordt een overdruk van 800 mm WK toegepast.

Ingeval de compressor deel uitmaakt van een gas-10 turbine, toont fig. 5 tevens de werklijn I en het ontwerppunt 1 van de compressor. Met de notatie 0° is de surge-line weergegeven zonder gasinjectie. De notaties 5 i 15 en 25 tonen de lijnen waarbij een meerotatie ten opzichte van de 0° lijn van de betreffende grootte is verkregen. De notatie -5° toont de lijn waarbij een tegenrotatie 15 ten opzichte van de 0° lijn is verkregen. Deze notaties zijn gebaseerd op de rotorinstroomconditie op de steekcirkel-diameter. Door het geven van de betreffende rotatie zal de surge-line 6 bij voorbeeld verschuiven zoals met een knik in de betrokken lijn 7 is aangegeven.

Fig. 5 toont in het geval van toepassing in een 20 gasturbine dat bij deellastbedrijf beneden 75# van het gasturbine-vermogen de maatregel volgens de uitvinding moet worden toegepast en dat bij een vermogen van 20# een meerotatie van 20° is vereist.

Proefnemingen hebben aangetoond dat de beoogde meerotatie of tegenrotatie met het doel de surge-line 7 naar links 25 of rechts in de grafiek te verschuiven, des te effectiever is naarmate de drukverhouding van de compressor hoger is. Verder wordt opgemerkt dat de werkwijze volgens de uitvinding ook toepasbaar is voor een compressor die een constante druk moet leveren bij variërende massastroom. Verder is de uitvinding in principe toepas-30 baar voor zowel vloeibare als gasvormige media.

8105790

Claims (4)

1· Werkwijze voor het beïnvloeden van de stroming van een medium binnen een machine waarin met behulp van ten minste een 5 rotor een verplaatsing en een drukverhoging van het medium tot stand wordt gebracht, gekenmerkt door een aanvoer van extra medium in de ter plaatse hoofdzakelijk radiaal gerichte toevoer-stroom naar de rotor, waarbij althans een bewegingscomponent van het extra aangevoerde medium tangentiaal is gericht aan de draaiing van 10 de rotor.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, toegepast in een compressor voor gasvormig medium, of een pomp voor vloeibaar medium, met het kenmerk, dat langs een aantal, kransvormig in de toevoer van het te comprimeren of te verpompen medium aange-15 brachte aanvoerplaatsen, een regelbare extra hoeveelheid medium in de orde van 0,1 tot 5,0% van de hoofdmediumstroom wordt aangevoerd. 3* Stromingsmachine voor het toepassen van de werk wijze volgens conclusie 1, omvattende een van een invoer en uitlaat voorzien huis, met in dit huis ten minste een aangedreven rotor 20 voorzien van schoepen, waarmede een stroom medium vanaf de invoer binnen het huis wordt verplaatst, vervolgens op een hoger drukniveau wordt gebracht en ten slotte via de uitlaat wordt afgevoerd, met het kenmerk, dat in het gebied van de invoer (11) middelen (15) aanwezig zijn voor de gerichte toevoer van extra medium in de 25 stroom naar de rotor (13). Compressor of pomp volgens conclusie 3, m e t het kenmerk, dat de medium toevoermiddelen (15) bestaan uit mondstukken (18) die concentrisch zijn opgesteld ten opzichte van de hartlijn (19) van de rotor (13)· 30 5· Compressor of pomp volgens conclusie waarbij in het invoergedeelte van het huis een aantal afstandstaven (zogenaamde struts) dwars op de stroming zijn aangebracht, met h et kenmerk, dat de mondstukken (18) gevormd worden door openingen in toevoerbuizen (16), die zijn aangesloten op de uitlaat (pers-55 zijde) van de compressor of pomp en die, op een kleinere straal, evenwijdig aan deze afstandstaven 17 zijn geplaatst.

6. Compressor of pomp volgens conclusie of 5, m e t het kenmerk, dat de mondstukken (18) een hoek insluiten met het er langs stromende medium. 8105790 - 7 -

7. Gascompressor volgens een der cmclusies 3 t/m 6, met het kenmerk, dat de compressor deel uitmaakt van een gasturbine. 8105790