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Axiale compressor

Der Kompressor, Teil von a Gasturbine

EIN Axialkompressor ist ein Typ Kompressor wo es Gas in Längsrichtung (axial) der Welle komprimiert wird. Die Strömungsrichtung des Gases verläuft entlang der Achse und ändert die Richtung nicht, wodurch eine hohe Effizienz erreicht wird.

Animation eines Axialverdichters (rotierend: Laufschaufeln, stationär: Leitschaufeln)

Ein Axialkompressor erzeugt kontinuierlich einen Strom komprimierten Gases und hat den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades und einer großen Kapazität. Sie erfordern mehrere Verdichterstufen (Reihen von Rotor- und Statorschaufeln), um große Druckerhöhungen zu erzielen, was sie im Vergleich zu anderen Verdichtertypen (z. B. a Radialverdichter).

Axialverdichter werden häufig in Gasturbinen eingesetzt, wie z Flugzeugmotoren, Schiffsgasturbinen und Gasturbinen für Kraftwerke. Auch als Unterwind-Fan für a Dampfkessel und in anderen Anwendungen, bei denen große Druckluftmengen zugeführt werden müssen.

Axialkompressor; Axialkompressor

Vorwort

An einer Gasturbine mechanische Arbeit entsteht, weil Luft in eine (offene) zirkulärer Prozess geht weiter. Will man eine Maschine mit beachtlicher Leistung bauen, zwischen 10 MW und 100 MW, muss viel Luft am Kreislaufprozess teilnehmen (30 bis 300 kg/s). Um eine so große Luftmenge zu verdichten, können zwei Arten von Kompressoren verwendet werden: der Axialkompressor und der Radialverdichter. Von diesen beiden wird der Axialverdichter am häufigsten für Gasturbinen verwendet.Beide Typen gehören zu den dynamische Kompressoren, was bedeutet, dass sie ihre Wirkung aus der Umwandlung von Geschwindigkeit im Druck.

Diffusor und Düse

Diffusionsprozess

Die Umrechnung von Geschwindigkeit in Druck erfolgt in a Diffusor, das ist ein abweichend (= ausgehender) Kanal. Das Prinzip des Diffusors basiert auf dem (hier vereinfacht) Bernoullics Gesetz, die besagt, dass:

{displaystyle P_{1} {frac {1}{2}}cdot ho _{1}cdot c_{1}^{2}=P_{2} {frac {1}{2}}cdot ho _{2} cdot c_{2}^{2}}

Darin ist:

P = Absolutdruck [N/m2]

ρ = Dichte Medium [kg/m3]

c = absolute Geschwindigkeit [m/s]

Einfach ausgedrückt bedeutet dieses Gesetz, dass die Summe aus statischem Druck und Geschwindigkeitsenergie auf beiden Seiten des Diffusors gleich ist.

In einem Diffusor nimmt die Absolutgeschwindigkeit des Mediums aufgrund der Querschnittsvergrößerung in Strömungsrichtung ab. Es geht also kinetische Energie verloren. Angenommen, die Dichte ist konstant, dann muss nach dem Bernoulli-Gesetz der Druck (potentielle Energie) zunehmen, also P2 > P1 Ein Diffusor kann mit einem invertierten verglichen werden compared Düse, aber bei näherer Betrachtung scheint das Verfahren wesentliche Unterschiede zu dem der Düse zu zeigen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das strömende Medium dazu neigt, die Diffusorwände sozusagen "loszulassen", wodurch Wirbel entstehen, die die Effizienz des Prozesses verringern. Es ist zu beachten, dass die Druckdifferenz P2-P1 an einem Diffusor tendenziell den Durchfluss erhöht entgegenwirken, während diese Druckdifferenz in einer Düse genau der Durchfluss ist fördert.

Axialverdichter der Verdichterstufe

Verdichterstufe

Der Axialverdichter besteht aus einem rotierenden Teil, dem Rotor, und einem feststehenden Teil, dem Verdichtergehäuse oder dem Stator. Sowohl der Rotor als auch der Stator tragen Blätter, die ein Profil wie ein Flugzeugflügel haben, aber dünner und schärfer sind. Eine typische Gasturbine kann einen Verdichter mit 17 Stufen aufweisen, d. h. 17 Reihen von Laufrädern, die sich mit dem Rotor drehen, und 17 zugeordneten Reihen von Leit- oder Leitschaufeln, die in dem Gehäuse montiert sind. Somit hat man 17 Verdichterstufen in Reihe, denn eine Laufschaufelreihe und eine Leitschaufelreihe bilden zusammen eine Verdichterstufe.

Die Luft tritt in den Kompressor durch verstellbare Einlassleitschaufeln ein, die die Luft so führen, dass sie im richtigen Anströmwinkel zur ersten Schaufelreihe strömt.

Eine Verdichterstufe umfasst eine Reihe von Laufradschaufeln und eine Reihe von Leitschaufeln, die in Form und Abmessungen im Wesentlichen ähnlich sind. Sie haben auch eine gleichwertige Funktion im Kompressionsprozess. Die Abbildung zeigt eine Ansicht in radialer Richtung, d. h. zwischen den Schaufeln. Die durch die Räume zwischen den Schaufeln gebildeten Kanäle divergieren in Strömungsrichtung. Das heißt, die Querschnittsfläche eines solchen Kanals nimmt in Strömungsrichtung zu. Dies gilt sowohl für die Laufschaufelreihe als auch für die Leitschaufeln. Wie oben erwähnt, wirkt ein divergierender Kanal als Diffusor. Die kinetische Energie der Luft wird in Druckenergie umgewandelt. Auch die Lufttemperatur steigt bei diesem Verdichtungsvorgang (es erfolgt keine Kühlung). Der Diffusionsprozess findet sowohl in der Laufschaufelreihe als auch in der Leitschaufelreihe statt. Wenn die Luft durch den Verdichter strömt, wird ihr Druck also in jeder Schaufelreihe erhöht, typischerweise um 20 % pro Verdichterstufe (Druckverhältnis pro Stufe 1,2).

Radialansicht auf Verdichterschaufeln; So sehen Sie die Diffusoren

Die Luft strömt mit einer Absolutgeschwindigkeit C1 in den Raum zwischen den Laufrädern. Die Laufräder rotieren mit einer Umfangsgeschwindigkeit U, so dass mit Hilfe von a Geschwindigkeitsdreieck die relative Eintrittsgeschwindigkeit W1 wird gefunden. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Luft im richtigen Winkel auf die Laufräder trifft. Die Luft wird nun zwischen den schnell rotierenden Schaufeln mitgerissen und erhält dadurch die Umfangsgeschwindigkeit U. Beim Durchströmen des Laufradraums nimmt die Relativgeschwindigkeit auf W2 ab. Die Drehzahlreduzierung von W1 auf W2 sorgt für die Luftdruckerhöhung im Rotor (normalerweise 50%).

Da die Flügel leicht gebogen sind, ändert sich auch die Richtung des Luftstroms. Mit Hilfe eines Geschwindigkeitsdreiecks kann aus U und W2 die absolute Austrittsgeschwindigkeit C2 bestimmt werden. Es ist nun deutlich zu erkennen, dass die Luft im richtigen Winkel auf die Leitschaufeln trifft. Im Zwischenraum zwischen den Leitschaufeln nimmt die Absolutgeschwindigkeit C2 auf C3 ab, wodurch auch die Richtung der Luftströmung geändert wird, bis wieder die gleiche Richtung wie C1 erreicht ist. Die Drehzahlreduzierung von C2 auf C3 sorgt für die Luftdruckerhöhung im Stator (normalerweise 50%).

Der oben beschriebene Vorgang kann nun in der benachbarten Laufradreihe wiederholt werden. In den Drehzahldreiecken der Figur ist zu erkennen, dass die axiale Komponente der Absolutdrehzahl über den gesamten Verdichter konstant bleibt. Man kann sich also vorstellen, dass die Luft mit a konstante Geschwindigkeit Cax strömt in axialer Richtung durch den Verdichter. Die Größe der Schaufeln und damit der Luftdurchtritt wird pro Stufe an das abnehmende Volumen angepasst, so dass die Geschwindigkeiten der Luftströmung in jeder Stufe gleich sind. Dadurch erhält der Kompressor seine charakteristische konische Form.

Ein Kompressor mit 17 Stufen und einem Druckverhältnis pro Stufe von 1,20 ergibt ein Gesamtdruckverhältnis von 1,2^17 = 22.

Kompressoreigenschaften bei variabler Geschwindigkeit

Kompressoreigenschaften

Die am häufigsten verwendete Verdichterkennlinie ist die Druckverhältniskurve in Abhängigkeit vom Eingangsvolumenstrom. Die Abbildung zeigt vier Kurven, die für vier verschiedene Drehzahlen n1 bis n4 gelten. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, dass die Kennlinie mit zunehmender Geschwindigkeit höher wird. Vergleicht man den Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen für einen bestimmten Verdichter, so zeigt sich, dass im Allgemeinen die sogenannten „Lüftergesetze“ eingehalten werden. Diese sind:

Der Eingangsvolumenstrom ist proportional zur Drehzahl: Qv ~ n
Das Druckverhältnis ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit: Rptot ~ n²
Die Leistungsaufnahme ist proportional zur Drehzahl in der dritten Potenz: PC ~ n³

Diese Gesetze können verwendet werden, wenn man ab einem bestimmten Betriebspunkt grob vorhersagen möchte, was der Kompressor bei einer um 10 % höheren oder niedrigeren Drehzahl als an diesem Betriebspunkt tun wird. Diese Gesetze sind zu global für größere Änderungen.

Verbotene Arbeitsbereiche

Stall und Surge

Alle Verdichterkennlinien enden an der gestrichelten Linie in der Kennlinie. Dies ist das Stabilitätsgrenze und der Kompressor kann im Bereich links von dieser gestrichelten Linie nicht betrieben werden. Wird der Luftaustritt durch eine Stagnation in der Druckleitung behindert, erhöht sich das Druckverhältnis und der Volumenstrom sinkt bis zum Erreichen der Stabilitätsgrenze. An diesem Punkt stoppt der Durchfluss und auch der Druckaufbau im Kompressor stoppt (schließlich gibt es keine Drehzahl mehr). Dies wird als "Stall" bezeichnet, die Stagnation der Strömung. Die Luft strömt sofort kräftig in den Kompressor zurück, reduziert den Förderdruck und bringt den Kompressor in seinen normalen Betriebsbereich zurück. Der Luftstrom wird in die richtige Richtung wiederhergestellt, wonach der Rückstrom wiederholt wird. Das hier beschriebene Phänomen der hin- und hergehenden Luft wird als "Pumpen", "Pulsieren" oder "Pumpen" des Kompressors bezeichnet. Dabei können so große Kräfte auftreten, dass das Innere des Verdichters zerstört wird (Schaufeln können abbrechen, Axiallager Überlastung, starke Maschinenvibrationen usw.).

Ersticken

Es gibt einen anderen Bereich in der Kompressorkennlinie, in dem der Kompressor nicht arbeiten darf, nämlich den Ort, an dem der maximale Durchfluss bei dem minimalen Druckverhältnis auftritt. Die Luft wird dann nicht komprimiert, wodurch der Volumenstrom in den höheren Stufen, wo die Schaufeln klein sind, zu groß wird. Es treten dann solche hohen Luftgeschwindigkeiten auf (in der Nähe des Schallgeschwindigkeit), dass der Kompressor aufgrund von Stoßwellen im Luftstrom diesen großen Luftstrom nicht mehr bewältigen kann. Der Durchgang wird behindert, was normalerweise als "Choke" oder "Stonewall" ("Verstopfen" des Kompressors) bezeichnet wird.

Kompressorsteuerungssystem

Um die beiden verbotenen Bereiche (Surge und Choke) zu vermeiden, muss das System, dem der Verdichter seine Luft zuführt (Brennkammer plus Turbine) so ausgelegt sein, dass der Verdichter immer in seinem stabilen Bereich arbeitet. Dies erfordert automatische Regelsysteme, die auf der Drehzahl des Rotors basieren. Bei niedriger Drehzahl liefert der Kompressor einen drehzahlproportionalen Luftvolumenstrom (1. Ventilatorgesetz). Allerdings ist das Druckverhältnis des Verdichters sehr gering, was mit der Drehzahl zum Quadrat (2. Ventilatorgesetz) wird. Dies hat zur Folge, dass das Volumen der Luft auf der Abströmseite für den dortigen Engpass zu groß werden kann. Gleichzeitig tritt auf der Saugseite das Problem auf, dass die Luftgeschwindigkeiten für einen ausreichenden Druckaufbau zu gering sind. Zusammengefasst: Bei niedriger Drehzahl wird auf der Druckseite zu viel und auf der Saugseite zu wenig gefördert. Folgende Methoden sind im Einsatz, die alle dafür sorgen, dass in den Niederdruckstufen bei niedriger Drehzahl genügend Drehzahl bleibt, während weniger Luft in die Kompressorpresse gelangt:

Entlüften eines Teils der Luft auf halbem Weg durch den Kompressor über Abblasventile ("bleed valve").
Verengung der Einlaufleitschaufeln damit weniger Luft angesaugt wird, aber die Luftgeschwindigkeit ausreichend voldoende . bleibt
Verengung der Leitschaufeln der unteren Verdichterstufen (gleicher Effekt wie 2)
Eine Kombination der drei genannten Methoden

Die vielen verstellbaren Ventile und Leitschaufeln und die dazugehörige automatische Steuerung machen den Axialverdichter zu einem komplexen Teil der Gasturbine.

P-V- und T-S-Diagramm des Kompressionsprozesses

Ein genauerer Blick auf den Komprimierungsprozess

Das Komprimieren der Luft geht schnell. Man kann sagen, dass jedes vom Kompressor angesaugte Kilogramm Luft in wenigen Zehntelsekunden auf den Kompressorenddruck verdichtet wird. Durch diese hohe Kompressionsrate kann die Luft kaum Wärme an die Umgebung abgeben. Eine solche Verdichtung, bei der dem Medium keine Wärme aus der Umgebung zugeführt oder entzogen wird, nennt man a adiabatische Kompression. In einem Druck-Volumen (p-V) und in einem Temperatur-Entropie (T-s)-Diagramm kann diese Kompression durch die Linie von 1 nach 2 dargestellt werden, a adiabat. Wenn die Komprimierung verlustfrei ist, wird der Prozess isentrop genannt (konstante Entropie). In der Praxis arbeitet ein Kompressor nicht verlustfrei.

Beim Verdichten steigt natürlich der Druck der Luft, aber auch die Temperatur. Im p-V-Diagramm kann dies durch das Zeichnen von Linien für konstante Temperatur dargestellt werden, Isothermen. In der Abbildung erfolgt dies für die Verdichteransaugtemperatur T1 und für die Verdichteraustrittstemperatur T2.

Diagramm für Cp und k für Luft mit Verbrennungsgasen

Jedes Kilogramm Luft zu verdichten erfordert Arbeit, die in einer Gasturbine von der Turbine geleistet wird, die den Verdichter antreibt. Der theoretisch erforderliche Arbeitsaufwand in kJ/kg ergibt sich aus der Formel:

{displaystyle W{c}=Cp_{c}*links(T_{2}-T_{1}ight)}

Darin ist:

Cpc = spezifische Wärme der Luft (für die mittlere Temperatur zwischen T1 und T2) [kJ/kgK] Der Cp-Wert stammt aus Handbüchern für Gase oder aus einer Grafik wie der nebenstehenden. Dort ist zu erkennen, dass der Cp-Wert für Luft ohne Verbrennungsgase bei einer Durchschnittstemperatur von 200°C 1,03 beträgt.

T2 = Verdichteraustrittstemperatur nach verlustfreier adiabatischer Verdichtung [K oder °C]

T1 = Verdichteransaugtemperatur [K oder °C]

In Wirklichkeit muss dem Kompressor noch mehr Arbeit pro kg Luft zugeführt werden, da der Kompressor gewisse Verluste hat. Dies drückt sich in der Kompressorwirkungsgrad ηc, die normalerweise bei 0,85 oder 85% liegt Die eigentliche Kompression erfolgt entlang einer Linie, die im p-V-Diagramm und in der T-s dargestellt ist Recht des verlustfreien Adiabats, die gestrichelte Linie in der Abbildung. Für das gleiche Druckverhältnis wird die Presstemperatur nach der tatsächlichen Kompression T2' höher als nach der verlustfreien adiabatischen Kompression.

Die tatsächliche Kompressorarbeit pro kg Luft beträgt:

{displaystyle W{c'}=Cp_{c}*links(T_{2'}-T_{1}ight)}

Darin ist:

Cpc = spezifische Luftwärme (für die mittlere Temperatur zwischen T1 und T2') [kJ/kgK]

T2' = gemessene Verdichteraustrittstemperatur nach tatsächlicher Verdichtung [K oder °C]

T1 = Verdichteransaugtemperatur [K oder °C] [kJ/kg]

Kompressoreffizienz

Es Effizienz des Kompressors auf einem Messgerät nicht leicht abzulesen. Sie wird als Verhältnis zwischen dem Temperaturanstieg bei verlustfreier adiabatischer Kompression (T2 - T1) und dem tatsächlichen Temperaturanstieg (T2' - T1) berechnet. Daraus ergibt sich auch das Verhältnis zwischen der theoretisch erforderlichen Verdichterarbeit Wc und der tatsächlich benötigten Verdichterarbeit Wc'.

{displaystyle eta _{c}={frac {T_{2}-T_{1}}{T_{2'}-T_{1}}}*100 [/%]}

. Daraus folgt:

{displaystyle eta _{c}={frac {W_{c}}{W_{c'}}}}*100 [/%]}

Für die Berechnung des Wirkungsgrades benötigen wir die theoretische Verdichteraustrittstemperatur T2. Sie muss nach den für die Kompression geltenden Gasgesetzen berechnet werden. Für eine adiabatische Kompression:

{displaystyle P*V^{k}=konstante}

, anders geschrieben:

{Displaystil P_{1}*V_{1}^{k} = P_{2}*V_{2}^{k}}

(Gesetz für Gift)

und:

{displaystyle {frac {P*V}{T}}=konstante}

, anders geschrieben:

{displaystyle {frac {P_{1}*V_{1}}{T_{1}}} = {frac {P_{2}*V_{2}}{T_{2}}}}

(Allgemeines Gasrecht)

Darin ist:

k oder kappa = adiabatischer Exponent, [dimensionslos]. Dies hängt von der Art des zu verdichtenden Gases und vom durchschnittlichen Druck beim Verdichtungsprozess ab. Der k-Wert ist in Gashandbüchern zu finden und kann einem Diagramm entnommen werden. Beispiel: Im nebenstehenden Diagramm ist zu lesen, dass für Luft ohne Verbrennungsprodukte, komprimiert von 15°C auf 385°C (Durchschnittstemperatur 200°C), der k-Wert 1,39 beträgt.

P1 = absoluter Saugdruck des Kompressors [N/m²]

P2 = absoluter Enddruck des Verdichters [N/m²]

V1 = Ansaugvolumen der Luft [m³/s]

V2 = Austrittsvolumen der Luft nach der Kompression [m³/s]

T1 = Verdichter-Ansaugtemperatur [K] (hier die Absolute Temperatur wegen des Verhältnisses in der Formel verwendet werden.

T2 = Verdichteraustrittstemperatur nach verlustfreier adiabatischer Verdichtung [K]

Eine Kombination der beiden genannten Gesetze ergibt die Formel, aus der sich T2 berechnen lässt:

${displaystyle {frac {T_{2}}{T_{1}}}=left({frac {P_{2}}{P_{1}}}ight)^{frac {k-1}{k}}}$ , anders geschrieben: ${displaystyle T_{2}=T_{1}*left({frac {P_{2}}{P_{1}}}ight)^{frac {k-1}{k}} [K]}$