Gasturbinenanlage <B>mit</B> Radialverdichter. Bei Gasturbinen mit Gleichdruckverbren-. nun- muss ein Verdichter vorgesehen werden, der das Arbeitsmittel vor der Turbine auf hö heren Druck bringt. Der Antrieb dieses Ver- cliclrters, der je nach Grösse der Turbine ver schiedene, teilweise erhebliche Mengen zu fördern hat, muss - direkt oder indirekt von der Gasturbine besorgt werden; als Nutz leistung der Anlage bleibt also nur die Diffe renz zwischen der Turbinenleistung und der Verdiehter-Antriebsleistung zur Verfügung.
Die Wirtschaftlichkeit der Gasturbine ist da- her in hohem Masse vom Wirkungsgrad des Verdichters abhängig.
Für projektierte und ausgeführte der artige Turbinenanlagen sind bisher gewöhn lich Axialverdichter vorgesehen worden. Diese sind für grosse Fördermengen besonders neeignet; dagegen ist je Stufe nur eine mä- ssige Verdichtung möglich.
Wird also ein höheres Gesamtverdiehtungsverhält.nis benö- so sinkt mit steigender Stufenzahl der Wirkungsgrad des Axialverdichters. Daher liegt der Gedanke nahe, den bei höheren Druckverhältnissen bewährten und ausserdem billigeren Radialverdichter zu verwenden;
Voraussetzung ist dabei, seinen Wirkungs- rrad so erhöhen zu können, dass er in dieser llinsicht bei gleicher Fördermenge der Axial- Bauweise gleichkommt oder sie sogar über trifft.
Setzt der Gasturbinenprozess Zwischen kühlung voraus, wie das bei Verdichtungs- verhältnissen > 2,5 regelmässig der Fall sein wird,dann istderRadialverdichter um so mehr am Platz; durch die Notwendigkeit, die teil weise verdichtete Luft. aus der Maschine heraus-, durch den Kühler und wieder in die Maschine zurückzuführen, fällt ein für die vorteilhafte Anwendung des Axialverdichters sehr wesentliches Merkmal, nämlich die ein fache Luftführung, fort.
Radialverdiehter wurden bisher vorwie gend mit rückwärtsgArümmten Schaufeln ausgeführt. Diese Tatsache ist historisch daraus zu erklären, dass bei einer solchen Form noch am ehesten die Strömungsverhält nisse im Schaufelkanal mit den Mitteln der Stromfadentheorie ausreichend überblickt werden können; für die kurzen, stark erwei terten Kanäle bei geraden, radialen oder vor wärtsgekrümmten Schaufeln trifft das nicht mehr zu. Die Verhältnisse bei rückwärts gekrümmten Schaufeln sind heute durch Theorie und Versuch ziemlich weit geklärt, so dass sich auch die Grenzen möglicher Ver besserungen annähernd festlegen lassen.
Der geraden, rein radialen und der vor wärtsgekrümmten Schaufel ist dagegen bisher im Verhältnis weit weniger Aufmerksamkeit zugewendet worden. Im Verdiehterbau sind lrauptsächlieh die Versuche von Rateau mit geraden Schaufelsternen bekanntgeworden.
Erst in den für I-Iochleistungs-Brennkraft- maschinen entwickelten Ladern wurde der ge- raden R.adialschaufel ein Anwendungsgebiet erschlossen, auf dem eingehende Forsehungs- und Versuchsarbeit geleistet wurde. Wichtige Aufschlüsse wurden gewonnen, und es liegen heute zahlreiche Messergebnisse von Rädern mit verhältnismässig kleinem Durchsatz (in der Grössenordnung von 1 m3/s) vor, die teil weise sehr gute Wirkungsgrade aufweisen.
In der Literatur werden u. a. die nachstehend an geführten Werte angegeben: Lauer:- Beitrag zur Frage der Rüekführ- beschaufelung mehrstufiger Radiallader, (DVL St-Bericht Nr. 91 v. 26. 5. l944) bei 1,5 m3/s zc2 = 308 m/s H.,, <I>=</I> 6400 mkg/kg = 78,5 'I/o.
W. von der Nüll: Überlegungen zur Frage der grösstmöglichen Förderhöhe einstufiger Radiallader an Flugmotoren (Luftwissen, 1940, Bd. 7N5) bei 1,2-5 m3/s 1-1"s=6200 mkg/kg gii ;
"i =82,5/0 Die angeführten Messergebnisse rühren durchweg von Rädern her, deren Durchsatz an bzw. unter der untersten Grenze liegt, die vom Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit aus der Anwendung von Kreiselverdichtern ge setzt ist. Bei höherem Durchsatz muss sieh entsprechend der Verbesserung der Strö- inungsverhält.nisse eine sehr bedeutende Ver besserung des hydraulischen und damit auch eine Erhöhung des innern Wirkungsgrades einer Stufe über die angegebenen Messwerte ergeben.
Die in einer Stufe erreichbare Förder- höhe hängt - drallfreien Eintritt voraus gesetzt - nach der Eulerschen Gleichung nur von der Umfangskomponente der Austritts- geschwindigkeit (c2") und der Umfangs- geschwindigkeit des Laufrades (u2) ab.
c.=" :Ans dem Austrittsdr eieek ergibt sieh, dass c2" um so grösser wird, je mehr der Austritts winkel ss2 wächst. Bei der reinen Radialschau- fel, also bei ss2 = 90 , ist c2" erheblich grösser als bei der rückwärtsgekrümmten Schaufel; noch grösser ist c2" bei ss2 > 90 , also bei der vorwärtsgekrümmten Schaufel.
Im Hinblick auf die hohe Umfangskomponente ist der ge raden Radialschaufel auch eine hohe Druck- Ziffer
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zugeordnet (nach Pfleiderer - 1,25, nach den o. a.. Messwerten 1,32-1,4). Die Förderhöhe der geraden Schaufel ist also auch unter der Voraussetzung gleicher Um fangsgeschwindigkeit bereits grösser als mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln erzielbar.
u2: Wegen der günstigeren Beansprt- chungsverhältnisse liegt bei rein radialen Schaufeln die zulässige Umfangsgeschwindig keit sehr erheblich höher als hei jeder ge krümmten Schaufel. plan kann unbedenklich auf 350 bis 400 m/s gehen, während die be kannten Ausführungen von Verdichtern mit gekrümmten Schaufeln unter 300 ni/s bleiben müssen. Die Förderhöhe kann also mit der Umfangsgeschwindigkeit weiter gesteigert werden.
Auf Grund der genannten Umstände kann in einer einzigen Stufe ein Druckverhältnis von 2 (entsprechend einem tI,,, = 6570 mlkg/ka) und darüber ohne Schwierigkeit, nach den vorliegenden Messergebnissen, also mit. dem besten Wirkungsgrad, erreicht werden.
Dabei soll nicht übersehen werden, dass die ange gebenen Werte von Ausführungen mit klei nem Durchsatz herrühren und dass 'I,1 ebenso wie 1/i, bei wachsendem Au.gflihrun;smassstah (wachsende Revnoldsehe Zahl) ebenfalls noch grösser werden.
Ein Verdichtungsverhältnis von 4, wie es z. B. bei Gasturbinen mit geschlossenem Arbeitsprozess etwa benötigt wird, ist. bei , einem normalen Radialverdiehter mit ge krümmten Seha.ufeln kaum mit weniger als 4 Stufen zu erreichen, wiihrend der Radial- verdiehter mit geraden Schaufeln leicht mit zwei Stufen auskommt, die im Bereich des , j#l'irkungsgra.d-Bestwertes arbeiten. können.
Daraus ergeben sieh eine Reihe von teeli- nischen und wirtschaftlichen Vorteilen: Die Senkung der Stufenzahl hat eine Verringerung des Lagerabstandes und des s Wellendurchmessers zur Folge; mit. dem klei neren W el.lendurchmegser wird aber auch der Eintrittsdurchmesser des Rades verringert.
Da ferner die Einlaufgeschwindigkeit mit der Förderhöhe in die Beziehung gebracht werden kann: e. =<I>e</I> -29H (s. Pfleiderer, Die Kreiselpumpen, 1949, S. 129 u. ff.), so kann bei wachsender Stufenförderhöhe die Ein laufgeschwindigkeit erhöht und der Ein- trittsdurchmesser des Rades weiter erheblich verkleinert werden.
Auch die Laufrad- und Welilendiehtungen können also mit kleineren Durchmessern ausgeführt und infolgedessen die Spaltverluste vermindert werden.
Im Zusammenhang mit der Verringerung der Eintrittsdurchmesser und der Erhöhung der Schnelläufigkeit gehen auch die Aussen- ilurchniesser der Räder zurück; die an- schliessen.den Diffusoren werden bei gleichem Druekumsatz kürzer. Alle Reibungswege sind durch die Änderung der Abmessungen und die Verringerung der Stufenzahl erheblich verkürzt, die Zahl der Umlenkungen der Strömung und der sonstigen Verlustquellen herabgesetzt.
Die Radreibung verringert sich ebenfalls, wodurch die innern Verluste wei ter gesenkt werden.
Soll Zlvischenkühlung vorgesehen werden, so bietet. -das infolge der höheren Stufenver- diehtung höhere Temperaturgefälle die Möb lichlzeit, .die Kühlfläche klein zu halten, wo durch der Druekverlust beim Durchströmen < des Kühleis geringer wird.
Ein Nachteil des Radialverdichters mit geraden Radialschaufeln ist allerdings der ziemlich steile Abfall des Wirkungsgrades zu beiden Seiten des Bestwertes; ebenso liegt die Pumpgrenze verhältnismässig hoch.
Ein derartiger Verdichter wäre daher im allge meinen trotz höherem Bestwert des Wir- lcungsgrades den üblichen andern Bauarten gegenüber unterlegen, soweit eine der ge- wöhnliehen Verwendungen in der Industrie in Betracht kommt.
Nun können aber gerade astiirbinenprozesse mit geschlossenem Ar- beiteprozess derart eingerichtet werden, dass der Verdichter ein stets gleichbleibendes Luftvolumen fördert, so dass hierbei die erwähnte Eigentümlichkeit des Radialver- dichters mit geraden, radialen Schaufeln ausser Betracht bleiben kann.
Da bei einem derartigen Verfahren unter Umständen der tiefste im Irreislauf vorkommende Druck, der sogenannte Druckpegel, erheblich über dem Atmosphärendruck gehalten werden kann, ist auch aus diesem Grunde - infolge Erhöhung der Reynolds:chen Zahl - eine weitere Wirkungsgraderhöhung zu erwarten.
Auf Grund der dargelegten Zusammen hänge besteht die Erfindung in der Anord nung eines Radialverdichters mit geraden Schaufeln zur Förderung eines annähernd gleichbleibenden Luftvolumens in einer Gas turbinenanlage mit geschlossenem Arbeits- pro7ess. Damit wird ein doppelter Zweck erreicht,
nämlich einerseits wird die Wirt schaftlichkeit eines solchen Gasturbinenver- fahrens -durch Ausnutzung der hohen Ver dichtung undi des Spitzenwirkungsgrades eines Radialverdichters mit geraden Schau feln verbessert, und anderseits wird für diese Verdichterbauart eine weitere Anw en- dungsmöglichkeit geschaffen, die ihre Vor züge unbeeinträchtigt zur Geltung bringt.