DE3112008A1 - "verdichtungsabschnitt einer axialstroemungsmaschine und verfahren zum verschieben der aerodynamischen belastung" - Google Patents
"verdichtungsabschnitt einer axialstroemungsmaschine und verfahren zum verschieben der aerodynamischen belastung"Info
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Description
United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101 V.St.A.
Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine und Verfahren zum Verschieben der aerodynamischen Belastung
Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere einen im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg
in dem Verdichtungsabschnitt eines solchen Triebwerks .
Ein Gasturbinentriebwerk hat einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt.
Ein im Querschnitt ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase
erstreckt sich durch das Triebwerk. Eine Innenwand und eine Außenwand begrenzen den Ringströmungsweg. In typischen
bekannten Konstruktionen erstrecken sich Kränze von Leitschaufeln von der Außenwand radial nach innen und Kränze von
Laufschaufeln von der Innenwand radial nach außen. Die Leitschaufelkränze und die Laufschaufelkränze sind zwischen
einander angeordnet. In dem Verdichtungsabschnitt laufen die
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Wände des Strömungsweges allmählich aufeinander zu. Eine solche Konstruktion, die einen Strömungsweg hat, der sowohl an
der Außenwand als auch an der Innenwand konvergiert, ist in der US-PS 2 869 820 beschrieben. Eine weitere Konstruktion,
die eine konvergierende Außenwand mit konischer Form und
eine zylindrische Innenwand hat, ist in der US-PS 2 672 279 beschrieben. Die US-PS 2 801 071 beschreibt eine Konstruktion, die eine konische Innenwand und eine zylindrische Außenwand hat.
eine zylindrische Innenwand hat, ist in der US-PS 2 672 279 beschrieben. Die US-PS 2 801 071 beschreibt eine Konstruktion, die eine konische Innenwand und eine zylindrische Außenwand hat.
Bei jeder dieser Konstruktionen wirken die Läuferbaugruppe
und die Leitradbaugruppe so zusammen, daß die Arbeitsmediumgase verdichtet werden. Wenn die Gase verdichtet werden,
steigen die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase an.
An jedem Laufschaufelkranz ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des Ruhe- oder statischen Druckes begleitet.
und die Leitradbaugruppe so zusammen, daß die Arbeitsmediumgase verdichtet werden. Wenn die Gase verdichtet werden,
steigen die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase an.
An jedem Laufschaufelkranz ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des Ruhe- oder statischen Druckes begleitet.
Es ist üblich, die Ruhedruckverteilung an einem Flügelprofilabschnitt
und über dem Flügelprofilabschnitt durch einen Druckkoeffizienten P auszudrücken. Der Druckkoeffizient (oder
die Ruhedruckziffer)P ist das dimensionslose Verhältnis des Ruhedruckanstiegs zwischen einem stromaufwärtigen Punkt und
einem Punkt an dem Flügelprofilteil zu dem Stau- oder dynamischen
Druck an dem stromaufwärtigen Punkt. Das kann durch folgende Formel ausgedrückt werden
PV2
wobei ρ den Druck in irguneUdneiii !»unkt an dem FlÜtjelprof U-abschnitt,
ρ den Druck in einem Abstand stromaufwärts von dem Flügel-
° 2
proillabflchriitt, umi (1/2) pV ami Mt rom.iufwUi't ig^n dynamischen Druck oder Staudruck darstellt.
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Die aerodynamische Belastung über einem Flügelprofilabschnitt ist definiert als der Ruhedruckanstieg über dem gesamten
Flügelprofilabschnitt dividiert durch den EinlaßStaudruck
oder dynamischen Einlaßdruck. Im Betrieb sind hohe aerodynamische Belastungen an Flügelprofilabschnitten häufig von
einer Strömungsablösung begleitet. Da der Flügelprofilabschnitt sich in der Richtung zunehmenden Ruhedruckes in einem Verdichter
befindet, besteht die Tendenz, daß sich die Strömung von den Schaufel- und Wandoberflächen "ablöst".
Die Ablösung verringert den Wirkungsgrad des Laufschaufelkranzes und kann in extremen Fällen zu einer Erscheinung
führen, die als Pumpen bezeichnet wird. Das Verdichterpumpen ist im allgemeinen durch ein vollständiges Anhalten der
Strömung, eine Strömungsumkehr in dem Verdichtersystem oder eine scharfe Verringerung des Luftströmungsverarbeitungsvermögens
des Triebwerkes bei bestimmter Betriebsdrehzahl gekennzeichnet. Letzteres wird als "hängendes Pumpen" (hung
surge) bezeichnet. Das Triebwerk wird im allgemeinen auf Gaszufuhrerhöhungen nicht richtig ansprechen, wenn ein solcher
Zustand vorhanden ist.
Wissenschaftler und Ingenieure suchen deshalb, den Pumpspielraum
und den Wirkungsgrad eines Laufschaufelkranzes durch Beeinflussen der Verteilung der aerodynamischen Belastung
über den Flügelprofilabschnitten zu verbessern.
Hauptziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Laufschaufelkranzes
in einem Verdichtungsabschnitt eines Gasturbinentriebwerks zu verbessern. Außerdem soll der Pumpspielraum
in dem Verdientungsi)schnitt vergrößert werden.
Außerdem soll insbesondere die Verteilung der Belastung über den Flügelprofilabschnitten der Laufschaufeln in Richtung
der Schaufelhöhe, d.h. in Richtung der Spannweite der Schaufel verschoben werden.
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Gemäß der Erfindung wird die Verteilung der aerodynamischen Belastung an einem rotierenden Flügelprofilabschnitt in
einer Axialströmungsmaschine in Richtung der Schaufelhöhe verschoben, indem die Stromlinien des Strömungsweges in den
Kantenbereichen an der Innen- und an der Außenwand veranlaßt werden, einer Krümmung in derselben radialen Richtung
bezüglich der Triebwerksachse zu folgen.
Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist der im Querschnitt ringförmige Strömungsweg eines Verdxchtungsabschnittes. Dieser
Ringweg hat eine Innenwand und eine Außenwand. Ein rotierender Flügelprofilabschnitt hat einen Kantenbereich, der sich
zwischen den Wänden erstreckt. Ein weiteres Merkmal sind die Wandbereiche, wo die Steigungen der Innenwand und der Außenwand
sich in bezug auf die Triebwerksachse ändern. In einer Ausführungsform sind diese Wandgebiete zwischen den Kränzen
von rotierenden Flügelprofilabschnitten und den Kränzen von nichtrotierenden Flügelprofilabschnitten angeordnet und
durch kegelstumpfförmige Wandflächen an die Wurzeln der Flügelprofilabschnitte
angeschlossen, während zylindrische Wandflächen einen radialen Abstand von den Spitzen der Flügelprofilabschnitte
aufweisen.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Steigerung des Wirkungsgrades
eines Kranzes von Laufschaufeln, die aus der Verschiebung
der Belastungsverteilung in Richtung der Schaufelhöhe resultiert. Eine Vergrößerung des Pumpspielraums, d.h.
des Sicherheitsspielrauras, bevor es zu einem Pumpen kommt, ergibt sich aus der Umverteilung von örtlich begrenzten Belastungen
in Richtung der Schaufelhöhe. In einer Ausführungsform resultiert ein weiterer Anstieg des Wirkungsgrades einer
Stufe auy dem emgeren BpaJL iawiaohen rollurunden und nlolitrutierenden
Teilen, der durch die zylindrischen Oberflächen ermöglicht wird, welche den Spitzen von rotierenden und nichtrotierenden Flügelprofilteilen zugewandt sind, im Vergleich
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zu Plügelprofilteilen, die Spitzen haben, welche durch einen Spalt radial von einer kegelstumpfförmigen Oberfläche getrennt
sind.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Turbofan-Triebwerks, bei welchem das äußere Gehäuse
weggebrochen ist, um einen Teil der Läuferund Leitradbaugruppen in dem Verdichterabschnitt
sichtbar zu machen,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Läufer-
und Leitradbaugruppen von Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht, die einem Teil von Fig. entspricht und eine weitere Ausführungsform
zeigt, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Läufer- und Leitradbaugruppen.
Fig. 1 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung bei einem
Turbofan-Gasturbinentriebwerk. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind ein Fan-Verdichtungsabschnitt 10, ein Kernverdichterabschnitt
12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein
Turbinenabschnitt 16. Das Triebwerk hat eine Achse A. Eine Läuferbaugruppe 18 erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt
und den Turbinenabschnitt. Eine Leitradbaugruppe umschließt die Laufradbaugruppe. Ein im Querschnitt ringförmiger
Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt und wird durch Teile der Leitradbaugruppe
und der Läuferbaugruppe begrenzt.
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Gemäß Fig. 2 hat die Leitradbaugruppe 20 ein äußeres Gehäuse 24. Das äußere Gehäuse hat eine Außenwand 26, die den Ringströmungsweg
umschließt. Die Läuferbaugruppe 18 hat eine Innenwand 28, die einwärts mit Abstand von der Außenwand angeordnet
ist. Die Innenwand begrenzt den Ringströmungsweg 22. Wände mit konstanter Steigung, die den Ringströmungsweg begrenzen,
sind durch die gestrichelte Linie F dargestellt. Kränze von Leitschaufeln, die durch die einzelne Leitschaufel
30 und die einzelne Leitschaufel 32 dargestellt sind, sind an der Außenwand befestigt. Die Leitschaufeln erstrecken
sich einwärts bis in die Nähe der Innenwand. Die Leitschaufelkränze
und die Laufachaufelkränze, welch letztere durch die einzelne Laufschaufel 34 und dto einzelne Laufschaufel
36 dargestellt Bind, sind in der dargestellten Weise zwischen einander angeordnet oder ineinander geschachtelt. Die Lauf-SQhaufe!kränze
erstrecken sich nach auß*:m bia in die Nähe der
Außenwand.
Jede Laufschaufel 36 hat einen Flügelprofilabschnitt 38. Der Flügelprofllabechniti; hat nine Baais 40, «Ine VordorkanUi 42,
eine Hinterkante 44 und eine Spitze 46. Jeder l'rofllabschnltt
hat eine sich in der Schaufelhöhe oder-spannweite erstreckende Acheo B, die öich in «incr im w<*««ntLiehen radialen Richtung
nach außen erstreckt. Jede Leitschaufel 32 hat eine Basis 48, eine Vorderkante 50, eine Hinterkante 52 und eine
Spitze 54.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform alu in Fig. 2, und
zwar mit einer Innenwand 56, die durch Elemente der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe gebildet ist. Jede Leitschaufel
58 hat «ine Ummantelung 60. Dl« UmroanteJurui erstreckt öich
axial in die Nähe der Läuferbaugruppe und hat eine nach außen weisende Fläche 62. Die Läuferbaugruppe hat eine nach außen
weisende Flüche 64. DLuuo nach außen wciutmden Flüchen an d«M
Läuferbaugruppe und an der Leiträdbaugruppe begrenzen gernein-
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sam die Innenwand 56, wie durch die gestrichelte Linie G dargestellt. Die gestrichelte Linie F veranschaulicht Wände
mit konstanter Steigung, die den Ringströmungsweg begrenzen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des Verdichterabschnittes 12, die die Wege von Teilchen von
Arbeitsmediumgasen zeigt, die nahe der Außenwand 26, der
Innenwand 28 und der Mitte des Ringströmungsweges 22 durch den Verdichterabschnitt strömen. Diese Wege werden üblicherweise
als Stromlinie bezeichnet. Die Stromlinien S befinden sich nahe der Außenwand, die StromlinienS befinden sich
ungefähr in der Mitte des Strömungsweges, und die Stromlinien S. befinden sich nahe der Innenwand.
Der Vorderkante 42 jedes Profilabschnittes ist ein Vorderkantenbereich
66 zugeordnet. Der Hinterkante 44 ist ein ,Hinterkantenbereich 68 zugeordnet. In dem Kantenbereich an
der Außenwand hat jede Stromlinie S eine erste Krümmung, die einen übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts
der Vorderkante und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen übergang zwischen
dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante und stromabwärts der Hinterkante bildet. In dem Kantenbereich an
der Innenwand hat jede Stromlinie S. eine erste Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts
der Vorderkante und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg
der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante und stromabwärts der Hinterkante bildet. Die Wege Si und SQ sind Funktionen
von x, gemessen in einer Ebene, die die Achse A des Triebwerks (x-Achse) enthält und einen Punkt auf der Stromlinie
schneidet. Eine solche Ebene ist eine Radialebene. Die y-Achse, die zu der x-Achse rechtwinkelig ist, erstreckt
sich in Richtung der Schaufelhöhe oder -Spannweite und liegt in der Radialebene. Jede Stromlinie wird durch eine Gleichung
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der Form y = f (x) beschrieben. Die Krümmung in dem Punkt auf der Stromlinie
ist in rechtwinkeligen Koordinaten durch folgende Formel gegeben:
Krümmung = —
2
wobei -^- und —^ die erste bzw. zweite Ableitung von y nach χ
wobei -^- und —^ die erste bzw. zweite Ableitung von y nach χ
αχ άχχ
sind.
sind.
Die Innenwand 28 ist in einem Abstand R. von der Achse A des Triebwerks an einem axialen Ort χ angeordnet. An dem Ort χ
hat die Innenwand eine Steigung R' . in be::ug auf die Achse A des Triebwerks, gemessen in einer Ebene, die die Außenwand
schneidet und die Achse des Triebwerks enthält. Die Außenwand 26, die den Strömungsweg umschließt und begrenzt, ist
in einem Abstand R von der Achse des Triebwerks an dem axialen Ort χ angeordnet und hat eine Steigung R1 in bezug
OX
auf die Achse des Triebwerks, gemessen in der Ebene, die die Außenwand schneidet und die Achse des Triebwerks enthält.
In dem Vorderkantengebiet 66 an der Außenwand 26 haben R
und R'x eine Größe R 1 und R" 1 an einem ersten Ort und eine
Größe R ~ und R1 o an einem zweiten Ort. Der zweite Ort beo2
o2
findet sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Außenwand
an dem ersten Ort weiter von der Achse des Triebwerks weg ist als die Außenwand an dem zweiten Ort und die Steigung
an dem erseen Ort ungleich der Steigung an dem zweiten
Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von Rq1 zu Rq2
größer als eins R 1 , und R' 1 ist ungleich R1 ?
(κ°-ί
> 1,0) ol Ro2
(R1 1 ji R' ) . Der Absolutwert von R" 1 ist größer als der
Absolutwert von R'o2 (|R'o1|
> lR'o2t )· Die Steigung von
R' 2 ist, wie dargestellt, gleich null.
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In dem Vorderkantenbereich 66 an der Innenwand 28 haben R.
und R1Jx eine Größe R.- und R'.- an einem ersten Ort und
eine Größe Ri2 und R'i2 an einem zweiten Ort. Der zweite Ort
liegt stromabwärts des ersten Ortes, so daß sich die Innenwand an dem ersten Ort näher bei der Achse des Triebwerks
als die Innenwand an dem zweiten Ort befindet und die Steigung an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem zweiten
Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis R... zu R.,
kleiner als eins R11 , und R1... ist ungleich R'
(=Ü < 1,0) 1Ί l2
Ri2
(R' $ R'i2^' Der Absolutwert von R'--i ist kleiner als der
Absolutwert von R'i2 < IR" ü I <
lR'i2^' Die Steigung von
R1.. ist, wie dargestellt, gleich null (R1.. = 0).
In dem Hinterkantenbereich 68 an der Außenwand 26 haben R
und R1 eine Größe R- und R1 3 an einem ersten Ort und eine
Größe R - und R1 . an einem zweiten Ort. Der zweite Ort beo4
o4
findet sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Außenwand von der Achse des Triebwerks an der ersten Stelle weiter
weg ist als die Außenwand an dem zweiten Ort, und die Steigung an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem
zweiten Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von R3 zu
R . größer als eins R 3 , und R1 3 ist ungleich R1 .
(ö— > 1 /0)
Ro4
Ro4
(R' 3 φ R'o4)· Der Absolutwert R'o3 ist kleiner als der Absolutwert
von R'o4 (1R*o3 j
< iRf 4 J)- Die Steigung R'o3 ist,
wie dargestellt, gleich null.
In dem Hinterkantenbereich 68 an der Innenwand 28 haben R.
und R'. eine Größe R.3 und R1·3 an einem ersten Ort und eine
Größe R-4 und R'-4 an einem zweiten Ort. Der zweite Ort befindet
sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Innenwand an dem ersten Ort näher bei der Achse des Triebwerks
als die Innenwand an dem zweiten Ort ist und die Steigung
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an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem zweiten Ort
ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von R13 zu R.. kleiner
als eins, d.h. R._ , und R'._ ist ungleich R1..
(^ < 1,0) 1J 14
Ri4
(R1 i3 Φ R'i4^· Der Absolutwert von R'-3 ist größer als der Absolutwert von R'-4 (|R'.3| > |R'.4|). Die Steigung von R'i4 -*-s*-/ w:*-e dargestellt, gleich null.
(R1 i3 Φ R'i4^· Der Absolutwert von R'-3 ist größer als der Absolutwert von R'-4 (|R'.3| > |R'.4|). Die Steigung von R'i4 -*-s*-/ w:*-e dargestellt, gleich null.
Stromabwärts der Laufschaufel 36 hat die Innenwand 28 an der Leitschaufel 32 eine zylindrische Fläche, die nach außen
weist. Die Fläche erstreckt sich axial über die Vorderkante 50 und die Hinterkante 52 der Leitschaufel hinaus. R. und
R'. haben an jedem Ort, der der Leitschaufel zugewandt ist,
einen konstanten Wert R-5 und R1-c- In der gezeigten Ausführungsform
ist R'jc gleich null. Die Innenwand stromaufwärts
der Leitschaufel und in der Nähe der Laufschaufel hat eine kegelstumpfförmige Fläche, die sich zwischen dem zweiten Ort
in dem Vorderkantenbereich (i2) und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich (i3) erstreckt. Das Verhältnis von Ri2
zu R.o ist größer als eins R.- ,so daß eine Strömungs-
Ri3
wegkontraktion an der Innenwand längs der Kegelstumpffläche an der Basis 40 der Laufschaufel auftritt. Die Außenwand stromaufwärts der Leitschaufel und in der Nähe der Laufschaufel hat eine zylindrische Fläche, die sich zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich (o2) und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich (o3) erstreckt. Das Verhältnis von R- zu Rq3 ist gleich eins Rq2 . Eine zylindrische
wegkontraktion an der Innenwand längs der Kegelstumpffläche an der Basis 40 der Laufschaufel auftritt. Die Außenwand stromaufwärts der Leitschaufel und in der Nähe der Laufschaufel hat eine zylindrische Fläche, die sich zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich (o2) und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich (o3) erstreckt. Das Verhältnis von R- zu Rq3 ist gleich eins Rq2 . Eine zylindrische
(ro7 " 1'0)
Fläche ist den Spitzen des Laufschaufelkranzes zugeordnet
und erstreckt sich über die Vorderkante 42 und über die Hinterkante 44 hinaus.
Im Betrieb eines Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsmediumgase durch das Triebwerk. Die Gase folgen dem Ringströmungs-
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weg 22. In dem Verdichterabschnitt 12 wirken die Läuferbaugruppe 18 und die Leitradbaugruppe 20 zusammen, um die Arbeit
smediumgase zu verdichten, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase ansteigen. An dem
Kranz der Laufschaufeln 36 ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des statischen Druckes begleitet. Der Anstieg
des statischen Druckes verursacht eine aerodynamische Belastung über jedem Flügelprofilabschnitt.
Die Kontur der Außenwand 26 und die Kontur der Innenwand 28 beeinflussen diese aerodynamische Belastung. Gemäß Fig. 4
folgen die Stromlinien S. der Innenwand. Die Stromlinien S folgen der Außenwand. In dem Vorderkantenbereich ist die
Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwand und nahe der Innenwand positiv, d.h. von der Achse des Triebwerks weggerichtet.
Die Krümmung hat mit Bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konvexe Form. Ein Ruhedruckgradient in Richtung
der Spannweite, d.h. in radialer Richtung muß vorhanden sein, um diese Krümmung der Stromlinien zu ermöglichen. Der
örtliche Ruhedruck für die konvexen Stromlinien ist an der Innenwand höher und an der Außenwand niedriger, im Vergleich
zu dem mittleren Ruhedruck in dem gesamten Kantenbereich. Darüber hinaus tritt derselbe örtliche Effekt auf, wenn der
Druckgradient für den konturierten Strömungsweg mit dem Druckgradienten an der Innenwand und der Außenwand eines
Strömungsweges verglichen wird, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind.
Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem Vorderkantenbereich
durch ein Pluszeichen (+) an der Innenwand und durch ein Minuszeichen (-) an der Außenwand angegeben.
Die Belastung über dem Flügelprofilabschnitt, p-p , ist direkt
proportional zum Ruhedruckanstieg über dem Flügelprofilabschnitt und am stärksten von diesem abhängig. Da der Ruhe-
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druckanstieg die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem
Punkt stromaufwärts der Vorderkante und einem Punkt stromabwärts der Hinterkante ist, wird die Belastung an der Wurzel
des Flügelprofilabschnittes verringert und an der Spitze des Flügelprofilabschnittes vergrößert. Die Belastung hat
sich infolge der Konturen des Strömungsweges in Richtung der Schaufelspannweite verschoben.
Die Verschiebung der Belastung in Richtung der Schaufelspannweite wird durch die Krümmung der Außenwand und der
Innenwand in dem Hinterkantenbereich verstärkt. Die Stromlinien S. folgen der Innenwand. Die Stromlinien S folgen
der Außenwand. In dem Hinterkantenbereich ist die Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwand und der Innenwand negativ,
d.h. zur Achse A des Triebwerks gerichtet. Die Krümmung hat in bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konkave Form.
Diese Krümmung ermöglicht ein Ruhedruckgradient in Richtung der Spannweite oder in radialer Richtung. Der örtliche Ruhedruckgradient
für die konkaven Stromlinien ist an der Innenwand kleiner und an der Außenwand größer, im Vergleich zu
dem mittleren Ruhedruckgradienten in dem gesamten Vorderkantenbereich oder im Vergleich zu dem örtlichen Ruhedruckgradienten
an der Innenwand und an der Außenwand eines Strömungsweges, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch
die gestrichelten Linien F dargestellt sind. Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem Hinterkantenbereich
durch ein Minuszeichen (-) an der Innenwand und durch ein Pluszeichen (+) an der Außenwand angegeben. Da der Ruhedruckanstieg
die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem Punkt stromaufwärts der Vorderkante und einem Punkt stromabwärts
der Hinterkante ist, wird die Belastung an der Wurzel des Flügelprofilabschnittes weiter verringert und an der Spitze
des Flügelprofilabschnittes weiter erhöht. Das hat die Verschiebung der Belastung in Richtung der Spannweite noch verstärkt.
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Es ist zu erkennen, daß ein derartiges Konturieren der Innen-
und der Außenwand in dem Vorderkantenbereich oder ein derartiges Konturieren der Innen- und der Außenwand in dem Hinterkantenbereich
zu einer Verschiebung der Belastungsverteilung in Richtung der Spannweite führt. Darüber hinaus ·
wird das Umkehren der Krümmung der Stromlinien von konvex nach konkav in dem Vorderkantenbereich oder von konkav nach
konvex in dem Hinterkantenbereich eine Verschiebung der Belastungsverteilung in Richtung der Spannweite verursachen,
die zu der oben erläuterten Verschiebung in Richtung der Spannweite entgegengesetzt ist.
Die Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Konturen bei Wänden eines Strömungsweges an einem Kranz von rotierenden Flügelprofilabschnitten
ist hilfreich, beispielsweise wenn die strömenden Arbeitsmediumgase dazu neigen, sich zuerst an der
Basis des Flügelprofilabschnittes abzulösen. Ein solches Ablösen tritt häufig in den stromabwärtigen Stufen des Verdichters
auf, weil die aerodynamische Belastung an der Basis jedes Flügelprofilabschnittes größer ist als die mittlere
aerodynamische Belastung über dem Flügelprofilabschnitt oder die aerodynamische Belastung an der Spitze der Schaufel. Das
Verringern der aerodynamischen Belastung an der Basis eines solchen Flügelprofilabschnittes führt dazu, daß die Ablösung
längs des Flügelprofilabschnittes weiter stromabwärts auftritt und, wenn die Ablösung auftritt, das Ausmaß der Ablösung
an jedem Punkt längs des Flügelprofilabschnittes verringert. Das Verringern des Ausmaßes der Ablösung verringert
die nachteilige Auswirkung, die die Strömungsablösung auf den Wirkungsgrad hat. Eine Steigerung des Wirkungsgrades ergibt
sich für die Läuferstufe gegenüber denjenigen Konstruktionen, wo nicht auf die Ablösung eingewirkt wird. Darüber
hinaus ermöglicht das Verringern der Belastung an einem solchen kritischen Ort für die Läuferstufe einen stärkeren
Anstieg des Gegendruckes, bevor es an dem Flügelprofilabschnitt zu einem Strömungsabriß kommt. Es kommt zu einer
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Vergrößerung des Pumpspielraums des Verdichtungsabschnittes.
In der dargestellten besonderen Konfiguration ergibt sich
ein zusätzlicher Vorteil dadurch, das zylindrische Flächen den Spitzen des Flügelprofilabschnittes in einer Läufer/
Leitrad-Stufe zugewandt sind und daß Strömungswegkontraktionen an der Basis der Flügelprofilabschnitte verwendet werden.
Dieser Aufbau ermöglicht einen engen Spalt sowohl zwischen den Spitzen der Läuferflügelprofilabschnitte und der diesen
zugewandten zylindrischen Außenwand als auch zwischen den Spitzen der Leitradflügelprofilabschnitte und der diesen zugewandten
zylindrischen Innenwand.
In Fig. 4 ist Cr der radiale Spalt beim Zusammenbauen zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand und zwischen der
Leitradspitze und der Läuferwand. Im Betrieb ermöglicht der radiale Spalt Cr der Läufer/Leitrad-Stufe, DLfferenzen im
radialen Wachstum zwischen der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe zu kompensieren. Da zylindrische Oberflächen
den Flügelprofilabschnittspitzen zugewandt sind, beeinflussen die Differenzen im axialen thermischen Wachstum Ca zwischen
der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe nicht nachteilig die Größe des radialen Spalts Cr. Bei einem äquivalenten
Ringströmungsweg, der konische Wände hat, wie sie durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind, beeinflußt die
Differenz im axialen thermischen Wachstum, Ca,nachteilig die Größe des radialen Spalts Cr. Der radiale Spalt Cr zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand wird durch einen
zusätzlichen radialen Spalt ACr vergrößert, um der Laufradspitze
zu ermöglichen, radial von der Leitradwand wegzubleiben, wenn sich die Läuferspitze wegen Änderungen im axialen
Wachstum näher zu der Leitradwand bewegt. Demgemäß ist bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau der radiale Spalt zwischen der
Läuferspitze und der ihr zugewandten Wand kleiner als bei einem konischen Strömungsweg, was sich durch eine Erhöhung
des Wirkungsgrades ausdrückt.
2/0700
22
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Claims (9)
- Patentansprüche :,' Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine mit einem im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg (22) für Arbeitsmediumgase, der um eine Triebwerksachse (A) angeordnet ist,mit einer Außenwand (26), die den Strömungsweg (22) umgibt, mit einer Innenwand (28) , die einwärts mit Abstand von der Außenwand angeordnet ist und den Strömungsweg begrenzt, und mit wenigstens einem Kranz von Laufschaufeln (34, 36), die sich von der Innenwand nach außen in die Nähe der Außenwand erstrecken und mehrere Flügelprofilabschnitte (38) aufweisen, von denen jeder in Richtung seiner Spannweite oder Höhe eine radiale Achse (B) und wenigstens ein sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Kantenbereich (42, 44) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) so konturiert ist, daß die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich an der Außenwand veranlaßt werden, einer Krümmung in der radialen Richtung zu folgen, die ein erstes mathematisches Vorzeichen hat, und daß die Innenwand (28) so konturiert ist.130062/0700daß die Krümmung der Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich an der Innenwand ein mathematisches Vorzeichen hat, welches dasselbe wie das erste Vorzeichen ist, um die Verteilung der aerodynamischen Belastung an jedem Flügel-(38) in der radialen Righiung zu
- 2. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) in einem Abstand R vonOader Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R' in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand (26) schneidet, und daß die Innenwand (28) in einem Abstand R, von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R1. in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand schneidet, und daß R- und R'„ eine Größe R « und R1 « an einem ersten Ort in dem Kantenbereiöh und eins Größe R02 und R'q2 an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'Ql ungleichR1 o ist (R1 Λ φ R1 ,,) , und das Verhältnis R1 zu R ο istOZ Ol Οώ Ol Otgrößer als eins R - und der Absolutwert von R1 1< ^21 > 1,0) o1ist größer als der Absolutwert von R'o2 (|R'0-jl > lR'02l)' und R. und R1. haben eine Größe R.. und R1.- an einem ersten Ort in dem Kantenbereich und eine Größe Rj0 und R1J0 an einemXm X +4zweiten Ort in dem Kantenbereich, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R1^ ungleich R.o ist (R'., φ R'.o), das Verhältnis von R.1 zu R. 0 ist kleiner als eins R. Λ , und der Absolutwert von RV1( ψ- < 1 ,0)Ki2
ist kleiner als der Absolutwert von R'i0 (Ir1J1I < |R'.„|).JLZt Xl X ** - 3. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) in einem Abstand ROX13006270700von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R1 in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in der Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand schneidet, und daß die Innenwand (28) in einem Abstand R. von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R'ix in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand schneidet,wobei R v und R' eine Größe R -> und R1 -, an einem ersten ox ox o3 o3Ort in dem Kantenbereich und eine Größe R . und R1 . an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R' 3 ungleich R'o4 ist (R'o3 f R1Q4)' das Verhältnis von Rq3 zu Rq4größer als eins ist R o und der Absolutwert R' Q(«Si > 1,0) °3RO4kleiner als der Absolutwert von R'o4 ist (|R'o3I < lR"o4l)'und wobei R. und R1 . eine Größe R., und R1 .., an einemXjC IX Ij Xjersten Ort in dem Kantenbereich und eine Größe R.. und R1.. an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'i3 ungleich R'i4 ist (R'i3 Ψ R>i4)' das Verhältnis von Ri3 zu R.. kleiner als eins ist R.-, und der Absolutwert von 14 (■— < 1,0)Ri4
R'i3 9rößer als der Absolutwert von R'i4 ist (|R'i3l > |R'i4J). - 4. Verdichtungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenbereich des Flügelprofilabschnittes (38) jeder Laufschaufel (34, 36) ein erster Kantenbereich ist, daß der Flügelprofilabschnitt einen zweiten Kantenbereich hat und daß R und R1 eine Größe R03 und R1 3 an einem ersten Ort in dem zweiten Kantenbereich undeine Größe R . und R1 , an einem zweiten Ort in dem zweiten o4 o4Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'3 ungleich R'o4 ist (R'O3 ^ R'o4*' das Verhältnis von R 3 zu R . größer als eins ist130062/0700Uo3
(ο— > 1,0) und der Absolutwert von R1 , kleiner als der Ab-Ro4 °3solutwert von R' , ist (|R1 ,| < |R· ^|)r und wobei R. und R'<v üino örößu H... und R1.., «in üinem ersten Ort in dum zweiten Kantenbereich und eine Größe R14 und R' . an einem zweiten Ort in dem zweiten Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts dos ersten Ortes liegt, ao daß R1^3 ungleich R',4 ist (R1..* Φ &\λ)ι das Verhältnis R., zu R..X^i X0 X <b X J X 4kleiner als eins ist R.,, und der Absolutwert vonRi4
Ri3 9rößer ala dör Absolutwert von R'i4 ist (|R'i3| > I111^Iv - 5. Verdichtuigeabschnitt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelprofilabschnitt (38) jeder Laufschaufel (34, 36) einen Vorderkantenbereich (66) und einen Hinterkantenbereich (68) hat und daß der zweite Kantenbereich der Hinterkantenbereich (68) ist.
- 6. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenwand (28) um die Achse (A) des Triebwerks dreht.
- 7. Verdichtungsabschnitt für Arbeitsmediumgase einer Axialströmungsmaschine mit einer Triebwerksachse (A) und einem im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg (22), mit einer Außenwand (26) , die den Strömungsweg (22) umgibt, mit einer Innenwand (28) , die mit Abstand von der Außenwand (26) angeordnet ist und den Strömungsweg (22) begrenzt, mit einem Kranz von Leitschaufeln (30, 32), die sich von der Außenwand nach Innen in die Nahe der Innenwand eratrekken und jeweils einen Flügelprofilabschnitt haben, der eine Spitze (54) aufweist, undmit einem Kranz von Laufschaufeln (34, 36), die sich nach außen in die Nähe der Außenwand (26) erstrecken und jeweils einen Flügelprofilabschnitt (38) haben, der einen Vorder-130062/0700kantenbereich (66) , einen Hinterkantenbereich (68) und eine Spitze (46) hat,dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (54) jedes Leitschaufelf lügelprof ilabschnittes zu der Achse (A) des Triebwerks parallel ist, daß die Spitze (46) jedes Leitschaufelflügelprof ilabschnittes zu der Achse (A) des Triebwerks parallel ist, daß die Außenwand in einem Abstand R von der AchseOXdes Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R1 „in be-OXzug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand schneidet, und daß die Innenwand in einem Abstand R. von der Achse des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung RVx in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand achneidet ,
wobei R und R'v eine Größe R^1 und KV1 an einem eratenOX OX Ol OlOrt in dem Vorderkantenbereich und eine Größe R- und R'2 an einem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts von dem ersten Ort liegt, so daß R'o1 ungleich R'q2 ist (R'o1 φ R'q2), R'o2 gleich null ist (R1 „ - O) und das Verhältnis von R., zu R- größer als eins i Mt Uo102
R,ort in dem Vorderkantenbereich und eine Größe R^2 und R'wobei R, und R'jX eine Größu R und RVi an einem erntenan einem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'^ ungleich R' , ist (R'^ Φ R'i2*' R'i1 9leicn nuH ist (R' = O) und das Verhältnis R11 zu R-2 kleiner als eins ist Ri1
(■=— < 1,0) und der Absolutwert von R' kleiner als derRi2 l1Absolutwert von R'i2 iüt (IR'jjI < 1«' Λ 2 | > ? wobei R und R1 eine Größe Rq3 und K'o3 an einem ersten Ort in dem flinte Κί*ηΐί'η1"ΐ»Π'Η·η und i-iriM i;trtßn R()ij unU ti1 ^ an einem zweiten Ort in dem Hinterkantenbereich haben, wobei130062/0700der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'o3 ungleich R'q4 ist (R'o3 Φ R'O4)' R'O3 9leich nul1 ist (R'o3 = 0) und das Verhältnis Rq3 zu Rq4 größer als eins ist(ö— > 1,0) und der Absolutwert von R1 o kleiner als der Ab-Ro4 °3solutwert von R'4 ist (|r'3|<|r'.|); wobei R. und R'ix eine Größe R>3 und R'-3 an einem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich und eine Größe R., und R1.. an einem zweiten Ort in dem Hinterkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'i3 ungleich R'i4 ist (R'i3 Φ Rli4^' R'i4 9leicft null ist (R1.. =0), das Verhältnis R-3 zu R.. kleiner als eins ist(■=— < 1,0) und der Absolutwert von R1 ., größer als der Ab-R14 x3solutwert von R'i4 ist (|R'i3J > |R'i4|); wobei R. und R1 . eine Größe R.j- und R1 . ς an jedem Ort auf der Innenwand haben, der einer Spitze eines Flügelprofilteils in dem Kranz von Leitschaufeln zugewandt ist, und wobei R'jc gleich null ist (R'.5 =0), so daß eine zylindrische Fläche den Spitzen des Leitschaufelkranzes zugewandt ist; wobei sich eine zylindrische Fläche an der Außenwand zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich, der R' ~ = 0 hat, und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich, der R' 3 = 0 hat, erstreckt, so daß eine zylindrische Fläche den Spitzen des Laufschaufelkranzes zugeordnet ist, und wobei sich eine kegelstumpfförmige Fläche an der Innenwand zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich, bei dem R1.- ungleich null ist (R1. 2 φ 0), und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich, bei dem R1., ungleich null ist (R1.: 3 Φ 0), erstreckt, so daß eine Strömungswegkontraktion an der Innenwand erfolgt. - 8. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kranz von Leitschaufeln (30, 32) an130062/0700einem Ort stromaufwärts des Kranzes von Laufschaufeln (34, 36) erstreckt, so daß R-5 kleiner als R-2 ist (R45 < R-o) und R. c kleiner oder gleich R.- ist (R.,- SR ).
- 9. Verfahren zum Verschieben der aerodynamischen Belastung an jedem Flügelprofilabschnitt eines Kranzes von rotierenden Flügelprofilabschnitten in einem Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine, gekennzeichnet durch folgende Schritte:Konturieren der äußeren Stromungswegbegrenzung, damit die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich nahe der äußeren Strömungswegbegrenzung einer Krümmung in der radialen Richtung folgen, die ein erstes mathematisches Vorzeichen hat, undKonturieren der inneren Stromungswegbegrenzung, damit die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich in der Nähe der inneren Stromungswegbegrenzung einer Krümmung in der radialen Richtung folgen, die ein mathematisches Vorzeichen hat, welches dasselbe Vorzeichen wie das erste mathematische Vorzeichen ist.130Q82/0700
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