DE3334880A1

DE3334880A1 - Mehrstufiger radialverdichter, radialrad und verfahren zum verdichten eines fluids

Info

Publication number: DE3334880A1
Application number: DE19833334880
Authority: DE
Inventors: Lawrence William 01921 Boxford Mass. Blair; Alexander Connor 01867 Reading Mass. Bryans
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-27
Publication date: 1984-04-05
Also published as: IT1168731B; FR2533977B1; GB2127905B; GB8317489D0; IT8323050A0; FR2533977A1; IT8323050A1; US4502837A; CA1233146A; GB2127905A; JPS5990797A

Description

3" 9151-13LN-O1444

General Electric Company

Mehrstufiger Radialverdichter, Radialrad und Verfahren zum

Verdichten eines Fluids

Die Erfindung bezieht sich auf Radialräder (centrifugal impellers) und betrifft insbesondere Radialräder, die als letzte Verdichterstufen in Flugzeuggasturbinentriebwerken benutzt werden.

Gasturbinentriebwerke sind zur Standardantriebsquelle für alle Arten von Flugzeugen, mit Ausnahme der allerkleinsten, geworden. Das Flugzeuggasturbinentriebwerk arbeitet als ein System mit offenem Brayton-Zyklus, dessen Arbeitsabgabe entweder in Form eines Abgases hoher Energie oder als mechanische Wellendrehung erfolgt. In Gasturbinentriebwerken, die einen Abgasstrom hoher Energie erzeugen, beispielsweise in Turbofan- oder Turboluftstrahltriebwerken, sind die Verdichter im allgemeinen Axialverdichter. Axialverdichter sind aus einer Reihe von umlaufenden Stufen axialer Schaufeln aufgebaut, die die Einlaßluft vor der Verbrennung ver-

40-

dichten. In Gasturbinentriebwerken mit umlaufender Welle, wie beispielsweise in Turbinenwellen- oder Turboproptriebwerken, haben sich in vielen Fällen Axial/Radial-Verdichter als geeigneter erwiesen. Die Axial/Radial-Verdichter haben eine Reihe von axialen Stufen ähnlich reinen Axialverdichtern vor einer letzten radialen Stufe, die unmittelbar stromaufwärts eines Gasdiffusors und eines Brenners angeordnet ist. Die radiale Stufe liefert einen hohen Grad an Verdichtung bei einem Minimum an Länge.

Die Radialräder, die in den Axial/Radial-Verdichtern benutzt werden, haben im Vergleich zu Axialstufen mehrere Nachteile.

In den vergangenen Jahren sind die Radialräder, die entwickelt worden sind, nicht in der Lage gewesen, den Wirkungsgrad von Axialstufen zu erreichen. Dieser Nachteil hinsichtlich des Wirkungsgrades hat die Radialradverwendung in Turboluftstrahltriebwerken begrenzt und das Erzielen eines besseren Wirkungsgrades von Axial/Radial-Verdichtern in Turbinenwellentriebwerken behindert.

Die Erfindung beinhaltet einen mehrstufigen Radialverdichter, in welchem es einen ringförmigen Strömungsweg im wesentlichen parallel zu der Drehachse am Einlaß und im wesentlichen rechtwinkelig zu der Drehachse am Auslaß gibt. Die äußere Oberfläche des Strömungsweges wird durch einen stationären Mantel festgelegt, während die innere Oberfläche durch eine umlaufende Radnabe gebildet wird. Das Schaufelrad hat wenigstens zwei Kränze von Schaufeln, die auf der Nabe angeordnet sind. Vorzugsweise haben die Schaufelkränze unterschiedliche Anzahlen von Laufschaufeln.

In dem ersten Schaufelkranz oder Einlaufkranz am Einlaß des Radialverdichters ist jede Schaufel so ausgebildet, daß sie anderen im wesentlichen optimalen Luftstromlinien von der Wurzel zur Spitze der Schaufel angepaßt ist. Das gestattet insgesamt eine Gleichdruckströmung an dem Auslaß des Schaufelkranzes.

Der Einlaßschaufelkranz kann für Fluidüberschallmachzahlen ausgelegt werden, die sich mit temperaturkorrigierten Schaufelradspitzengeschwindigkeiten von mehr als 400 m/s (1,200 ft/sec) vertragen.

Es gibt außerdem einen zweiten Schaufelkranz, der eine Übergangsstufe bildet und in dem mehrere Schaufeln axial von dem ersten Schaufelkranz versetzt sind. In dem zweiten Schaufelkranz ist jede Schaufel ebenfalls so ausgebildet, daß sie wesentlich unterschiedlichen Luftstromlinien am Fuß und an der Spitze der Schaufel angepaßt ist, um so insgesamt eine Gleichdruckströmung an dem Auslaß des Schaufelkranzes zu gestatten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte Stufe oder Austrittsstufe von der zweiten Stufe des Schaufelrades getrennt. Die dritte Stufe ist gemäß den Strömungskenndaten des Schaufelradauslasses optimiert. Die Austrittsstufenschaufeln haben wenig oder keine Neigung in bezug auf die Radnabe an dem Luftströmungsauslaß.

In den bevorzugten Ausführungsformen bestehen die Schaufelkränze jeder Stufe aus mehreren Schaufeln, wobei jede Schaufel ein Profil hat, das eine Neigung (lean) aufweist, die die Diffusion des Fluids an der Schaufelwurzel und der Schaufelspitze im wesentlichen gleich macht. Die axiale Schaufelkranzlänge ist in jeder Stufe ausreichend kurz, um die Blattspitzenneigung in jeder Stufe zu mini-

mieren. Die Blattneigung wird so auf weniger als 12°-15° an irgendeiner Stelle längs irgendeines Schaufelkranzes begrenzt.

Ein charakteristisches Merkmal der bevorzugten Ausführungsformen ist, daß die Schaufelkränze axial voneinander versetzt sind, um die Strömung gemäß optimierten Schaufelwinkeln für jedes Strömungsgebiet des Schaufelrades zu optimieren. Weiter wird eine im wesentlichen konstante Diffusionsgeschwindigkeit des Fluids, das verdichtet wird, in dem gesamten Radialverdichter durch Veränderung der Schaufelzahl oder der Festigkeit in den Laufschaufelkränzen aufrechterhalten.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der bevorzugten Ausführungsform ist, daß zwischen den Laufschaufelkränzen keine Leitschaufelkränze angeordnet sind. Weiter ist das Radialrad ein integrales Teil, so daß sämtliche Schaufelkränze gemeinsam mit derselben Geschwindigkeit umlaufen und ihre gegenseitige Relativposition nicht ändern. Es sei jedoch angemerkt, daß das Radialrad aus gesonderten Teilen zusammengebaut sein könnte.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines her

kömmlichen Gasturbinentriebwerks,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines

herkömmlichen Radialrades,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Radial-

rad nach der Erfindung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines

Radialrades nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung der aerodynamischen

Stromlinien der Gasströmung an einem Radialrad,

Fig. 6 eine Querschnittdarstellung einer

radialen Laufradschaufel und einer gestrichelten nichtradialen Laufradschaufel,

Fig. 7 in Draufsicht eine Verdichterschau

fel, die.wie ein verdrehtes Blech ausgebildet ist,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer

einzelnen, stark geneigten Schaufel, die optimalen Stromlinien folgt, an einer Schaufelradnabe,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer

einzelnen herkömmlichen Schaufel an einer Schaufelradnabe,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer

Schaufelgruppe nach der Erfindung an einer Schaufelradnabe,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht von meh

reren radialen Schaufeln eines Schaufelrades und

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht von meh

reren stark geneigten Schaufeln eines Schaufelrades.

Fig. 1 zeigt den Gasströmungsweg durch den zentralen Teil eines Gasturbinentriebwerks mit einem herkömmlichen Axial/ Radial-Verdichter 20. Luft bewegt sich von dem Einlaß 21 durch eine Reihe von Axialstufen von umlaufenden Schaufeln 24 und feststehenden Leiträdern 22. Diese umlaufenden Axialstufen treiben die Luft vorwärts und verdichten dadurch die Luft auf wirksame Weise. Nachdem die Luft durch den axialen Abschnitt des Verdichters 20 hindurchgegangen ist, treibt das Radialrad 26 die Luft nach außen und verdichtet die Luft weiter, bevor diese in den Diffusor 28 und in den Verbrennungsbereich 30 eintritt. In dem Radialrad 26 wird das Luftvolumen durch das Radialrad selbst und durch den Radmantel 23 eingeschlossen. Die verdichtete Luft wird in dem Verbrennungsbereich erhitzt und bewegt sich durch den Turbinenleitapparat 32 und den umlaufenden Turbinenrotor 34, wodurch Arbeit aus dem eine hohe Temperatur aufweisenden, stark verdichteten Gas rückgewonnen wird.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Radialrades 26, wie es in Fig. 1 im Querschnitt gezeigt ist. Umlaufende angeformte Schaufeln 38 können als verdrehte Bleche beschrieben werden, die so ausgebildet sind, daß Luft in einem zentrifugalen Gravitationsfeld verdichtet wird. Verkürzte Schaufeln 40, die Teilversionen der größeren durchgehenden Schaufeln 38 sind, verhindern eine übermäßige Diffusion der Gasströmung, wenn die Luftkanäle mit zunehmendem Radumfang von dem Lufteinlaß 42 zu dem Auslaß 44 in der Größe zunehmen. Es sei angemerkt, daß moderne Radialräder im allgemeinen in einem Stück maschinell bearbeitet werden.

Luft tritt in dem axialen Einlaßbereich 42 in das Radialrad 26 ein. Die Luft, die an dem Einlaß eintritt, ist durch die Axialverdichterstufen stromaufwärts des Radialrades verdichtet worden. Die Luft bewegt sich deshalb an dem Einlaß

in einer Richtung parallel zu der Drehachse und ist bereits stark verdichtet. Der innere Strömungsweg der Luft in dem Radialrad wird durch die Radnabe 27 begrenzt. Die Luft selbst wird durch die Radschaufeln 38 in allen Bereichen der Schaufeln von der Schaufelwurzel 29 bis zu der Schaufelspitze 31 vorwärts getrieben und verdichtet. Wenn sich die Luft durch das Radialrad bewegt, ändert sich die Strömungsrichtung von parallel zu der Drehachse in rechtwinkelig zu dieser in allen Richtungen. Die Luft bewegt sich zu der Zeit, zu der sie den Auslaß 44 erreicht, hauptsächlich von der Drehachse nach außen und nicht mehr längs dieser Achse. Das Strömungsfeld an dieser Stelle kann als ein Zentrifugalströmungsfeld beschrieben werden, weil die Hauptrichtung der Luft an dem Radialauslaß 44 tangential ist. Laufräder der herkömmlichen Bauart, wie sie hier gezeigt sind, unterliegen mehreren Beschränkungen, die ihren Wirkungsgrad begrenzen. Das wird unten noch graphischer beschrieben, es wird aber auf Fig. 2 verwiesen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Radialrad 36 nach der Erfindung, das in den Verdichter nach Fig. 1 anstelle des herkömmlichen Radialrades 26 eingebaut werden kann. Wie bei dem Verdichter nach Fig. 1 tritt Luft an dem Verdichtereinlaß 21 ein und geht durch eine Reihe von umlaufenden Axialschaufelstufen 24 und nichtumlaufenden Leiträdern. 22 hindurch. Das Radialrad 36 ist jedoch in drei neue Strömungsgebiete unterteilt, die unten ausführlich beschrieben sind. Nach dem Durchgang durch das umlaufende Radialrad 36 bewegt sich die Luft durch einen Diffusor 28, einen Verbrennungsabschnitt 30, einen Turbinenleitapparat 32 und einen Turbinenrotor 34. Wie in einem herkömmlichen Verdichter wird dem eine hohe Temperatur aufweisenden, stark verdichteten Gas durch die Turbine Arbeit entnommen. Ein Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das neue Radialrad 36 ohne die zusätzlichen Kosten einer Triebwerksumkonstruktion anstelle des herkömmlichen Radialrades 26 in dem Verdichter 20 ver-

wenden zu können.

Fig. 4 zeig.t eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Radialrades nach Fig. 3. Das Radialrad 36 besteht aus drei Schaufelkränzen 46, 48 und 50. Die Luft tritt über den Einlaß 42 ein und über den Auslaß 44 aus.

Die Erzeugung von drei einzelnen Strömungsgebieten gestattet die Optimierung der ZentrifugalStrömungseigenschaften zur Erzielung einer wirksamen Strömung. Das erste Gebiet ist ein unabhängiger Schaufelkranz 46, der als Einlaufschaufelkranz bezeichnet wird und überwiegend axiale Eigenschaften hat. Der zweite Schaufelkranz 48 ist ein Obergangs- oder Mischströmungsgebiet, das mit zunehmendem Radius der Radnabe 27 zunehmend weniger axiale und mehr zentrifugale Eigenschaften hat. Die Nabe 27 bildet die Radoberfläche an den Wurzeln 29 der Schaufeln. Das dritte Strömungsgebiet 50 ist ein Gebiet mit hauptsächlich umlaufender radialer Strömung oder eine Austrittsstufe, in der die Luftströmung von der Drehachse hauptsächlich nach außen statt längs der Drehachse wie in einem Axialkranz gerichtet ist.

Die Bedeutsamkeit und die Vorteile des Aufbaus ergeben sich nicht ohne weiteres aus dieser Zeichnung. Sie werden jedoch anhand der unten folgenden Erläuterung der Basis der Entwurf sparameter verständlich. Durch Aufteilen des Radialrades in drei Gebiete mit unterschiedlichen Schaufelzahlen wird ein maximal möglicher Wirkungsgrad erreicht, und der Wirkungsgrad liegt beträchtlich über dem, der bei herkömmlichen Radialrädern möglich ist.

Verdichter werden so ausgelegt, daß sie vom Lufteinlaß zum Luftauslaß ein besonderes Druckverhältnis erzeugen. In den letzten Stufen von Turbinentriebwerken, in denen Radialräder benutzt werden, ist es am effizientesten, die

Luftströmung mit einer insgesamt konstanten Geschwindigkeit zur Diffusion zu zwingen. Das bedeutet, daß vom Schaufeleinlaß zum Schaufelauslaß die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt und der Luftdruck zunimmt, und zwar mit einer insgesamt konstanten Geschwindigkeit. Wenn die Diffusionsgeschwindigkeit zu hoch ist, wird das Radialrad nicht wirksam pumpen und die Luftströmung wird sich nahe der Nabe ablösen, was zu größeren Verlusten führt.

Fig» 5 zeigt eine Darstellung der aerodynamischen Stromlinien von optimalen Luftströmungsprofilen innerhalb des Strömungsvolumens eines Radialverdichters. Die Luftströmungsprofile sind umfangsmäßig abgewickelt und vereinfacht worden, um das Verständnis zu erleichtern. Diese Ansicht sollte als eine zweidimensionale Darstellung einer dreidimensionalen Strömung betrachtet werden. Die Stromlinien sind für ein Radialrad mit besonderem Druckverhältnis optimiert worden, aber die Art der Optimierung, wie sie unten beschrieben ist, ist allgemein auf Radialräder anwendbar. Die Stromlinien sind optimiert worden, um eine eng angepaßte Diffusionsgeschwindigkeit an der Schaufelwurzel und an der Schaufelspitze und eine Strömung mit gleichmäßig zunehmendem Druckverhältnis zu erzeugen. Diese Faktoren ergeben eine wirksame Strömung.

Die Linien 52 stellen das optimale Luftströmungsprofil an den Spitzen der Radialradschaufeln dar. Die Spitze ist derjenige Teil der Schaufel, der von der Radnabe am weitesten entfernt istο Die Linien 54 stellen das optimale Luftströmungsprofil an der Wurzel der Schaufeln dar. Die Luftströmung längs des Radialrades wird durch diese Linien dargestellt, und, da die Strömung um den Umfang des Radialrades kontinuierlich ist, kann eine unendliche Anzahl von Linien gezeichnet werden.

Herkömmliche Radialräder sind nicht in der Lage, den optimalen Stromlinien zu folgen, die erforderlich sind, um die

effizienteste Strömung zu erzeugen. Bei modernen herkömmlichen Radialrädern bildet jede Radialradschaufel ein individuelles verdrehtes Blech, das von dem vorderen Gaseinlaßende des Radialrades zu dessen hinterem Ende oder Gasauslaß verläuft. Die Schaufel 38 (Fig. 2) ist insgesamt radial, zumindest am Einlaß, denn sie folgt einer radialen Linie von dem Schaufeldrehungsmittelpunkt zu der Spitze oder äußersten Kante der Schaufel. Bei herkömmlichen Radialrädern neigt die Luft zur Diffusion mit einer viel höheren Geschwindigkeit nahe der Radialradnabe 27 als an der Spitze 31 der Schaufel in den Einlaß- und zentralen Teilen des Strömungsweges.

Die Diffusion ist als eine Abnahme der Fluidgeschwindigkeit und eine Zunahme des Fluiddruckes definiert. Das Ausmaß an Diffusion, das Luft an einem Tragflügelprofil erfährt, ist zu ihrer Geschwindigkeit relativ zu der des Luftstroms und zu ihrer Schaufeldrehung proportional. Die "Schaufeldrehung" ist die Änderung des Strömungswinkels des Strömungsdurchlasses, der durch zwei benachbarte Schaufeln gebildet wird.

Es erfolgt mehr Diffusion an der Nabe als an der Spitze einer radialen Radschaufel. Der Grund dafür ist, daß die Drehgeschwindigkeit eines umlaufenden Objekts von dem Drehungsmittelpunkt zu seinem äußersten Punkt zunimmt. Deshalb hat die Schaufelspitze 31 eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Zentripetalbeschleunigung als die Schaufelwurzel 29. Das Gas bewegt sich deshalb mit höherer Geschwindigkeit nahe der Schaufelspitze 31 als an der Wurzel 29 einer insgesamt radialen Schaufel.

Zum wirksamen Verdichten eines Gases in einem Strömungsfeld muß das Gas mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze verdichtet werden, wenn das Gas durch den Verdichter hindurchgeht. Es

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ist ineffizient, eine Diffusion mit nichtkonstanter Geschwindigkeit zu gestatten, weil dadurch die Turbulenz vergrößert und das wirksame Druckverhältnis des Verdichters verringert wird. Weiter führt eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit nahe der Nabe zu einer Luftströmungsstagnation und zum Strömungsabriß.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 unterscheiden sich die optimalen aerodynamischen Profile der Radialradschaufelwurzel- und -spitzenluftströme, wenn man versucht, relativ gleiche Diffusionsgeschwindigkeiten an der Wurzel und an der Spitze aufrechtzuerhalten. Der Grund dafür, daß sich die optimalen Profile unterscheiden, ist, daß sich die Flügelprofilkräfte, die durch die Schaufel ausgeübt werden, unterscheiden. Die absolute Geschwindigkeit der Schaufelspitze wird, wie oben erwähnt, gegenüber der der Schaufelwurzel vergrößert, wie es die radiale Länge der Schaufel ab dem Drehungsmittelpunkt verlangt. Der Grund dafür ist, daß bei jeder einzelnen Drehung der Umfang des Kreises, der durch die Schaufelspitze beschrieben wird, größer ist als der Umfang an der Schaufelwurzel. Diese Umfangsdifferenz nimmt ab, wenn das Schaufelrad mehr zentrifugal geformt wird. An dem Luftauslaß 44 gibt es keine Umfangsdifferenz, weil die gesamte Schaufel auf demselben Radius ab dem Drehungsmittelpunkt ist. Für den größten Teil der Schaufellänge bewegt sich jedoch die Schaufelspitze während jeder Drehung über eine größere Strecke und bewegt sich deshalb mit einer größeren Geschwindigkeit als die Schaufelwurzel.

Die Schaufel 61, die im Querschnitt mit ausgezogenen Linien in Fig. 6 gezeigt ist, ist eine radiale Schaufel. Die Spitze 31 liegt in einer konstanten Querschnittsebene direkt über der Wurzel 29. Infolgedessen ist die Schaufelspitzengeschwindigkeit über dem Luftstrom wesentlich größer als die Schaufelwurzelgeschwindigkeit. Es ist offensichtlich, daß

eine radiale Schaufel mit einem gleichmäßigen Schaufelwinkel keine gleichmäßige Druckströmung während der Drehung erzeugt, weil die Auswirkungen der Schaufelspitzengeschwindigkeit größer sind als die der Schaufelwurzelgeschwindigkeit.

Zum Verändern der Arbeit, die an einem Fluid unabhängig von der Flügelprofilgeschwindigkeit geleistet wird, muß der Schaufelwinkel in bezug auf die Fluidströmung geändert werden. Wenn sich der Schaufelwinkel in der Strömung ändert, wird das Ausmaß an Arbeit, das an dieser Strömung geleistet wird, ebenfalls geändert. Es ist festgestellt worden, daß, wenn die Schaufelwurzel so ausgebildet wird, daß sie an der Fluidströmung weniger Arbeit verrichtet als die Schaufelspitze, die Auswirkungen der höheren Schaufelspitzengeschwindigkeit kompensiert und relativ gleiche Diffusionsgeschwindigkeiten sowohl an der Nabe als auch an der Spitze festgelegt werden können.

Die Anwendung des Prinzips des unabhängigen Entwurfes der Schaufelwurzel und der Schaufelspitze führt zur Herstellung von Schaufeln der in Fig. 7 gezeigten Art. Diese Schaufel kann als ein verdrehtes Blech beschrieben werden. Solche Schaufeln haben mehrere unabhängige Profile, die sich aus. einer Verdrehung der Schaufelspitze gegenüber der Schaufelwurzel ergeben. Die sich ergebende Schaufel hat Profile, die sich von der Schaufelspitze zur Schaufelwurzel ständig ändern. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Schaufelform aufrechterhalten. Das Ergebnis dieser Entwurfscharakteristik ist, daß die Schaufelspitze umfangsmäßig um eine Strecke entfernt von der Schaufelwurzel angeordnet ist, was als Neigung (lean) bezeichnet wird.

Zum Kompensieren der Diffusionsdifferenz zwischen der Nabe 27 und der Schaufelspitze 31 werden deshalb herkömmliche Radschaufeln so ausgebildet, daß sie von der Nabe zur

Spitze von der radialen Linie, die von der Drehachse ausgeht, weggeneigt sind. Diese Neigung ist als das Ausmaß definiert, um das eine Schaufelspitze von einer radialen Linie divergiert, die ab der Drehachse in einem konstanten axialen Abstand gezogen wird. Das ist durch die Schaufel 63 in Fig. 6 dargestellt. Herkömmliche Schaufelräder können aus unten dargelegten Gründen die Neigung bis zu ihrem vollsten Potential ausnutzen, um eine kontrollierter Geschwindigkeit der Luftdiffusion von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze zu schaffen.

Fig. 5 zeigt die optimalen Luftstromprofile an der Spitze und an der Wurzel einer Radialradschaufel. Das Anpassen der Radschaufelwinkel an irgendein Paar Profile aus den Gruppen von Spitzen- bzw. Wurzelprofilen ergibt eine durchgehende Radschaufel 51 mit theoretisch gleicher Diffusion für eine gleichmäßigere Druckströmung. An einem Einlaßteil des Verdichters, der sich in Fig. 5 oben befindet, gibt es eine große Diversion in den Winkeln der Wurzel- und Spitzenstromlinien. Als Ergebnis der Stromliniendiversion zeigt der Einlaß der Schaufel 51 gemäß der perspektivischen Ansicht in Fig. 8 eine sehr große Neigung der Spitze über der Wurzel. Diese Neigung nimmt ab, wenn sich die Schaufel längs des Luftstroms fortsetzt und sich die Profile kreuzen. Nach dem Kreuzen der Profile beginnt jedoch die Neigung wieder zuzunehmen. Obgleich die Stromlinienprofile in dem Zentrifugalteil des Schaufelrades in der Form sehr ähnlich werden, erfordern die stromaufwärtigen Luftprofile eine große Neigung, die sich bis zu dem Radauslaß fortsetzt. Eine Schaufel wie diese könnte theoretisch einen kontrollierten Diffusionsströmungsweg erzeugen. Eine auf diese Weise ausgebildete Schaufel kann jedoch beinahe unmöglich hergestellt werden, und, wenn sie hergestellt wird, wird sie im tatsächlichen Gebrauch unwirksam und äußerst zerbrechlich sein.

Zum Herstellen einer fein polierten, durchgehenden Ober-

fläche, wie sie für jedes dünne, aerodynamisch akzeptable Tragflügelprofil erforderlich ist, ist eine präzise spanabhebende Bearbeitung erforderlich. In Fig. 12 sind Teilabschnitte einer Reihe von mehreren stark geneigten Schaufeln 51 auf einer abgewickelten Rotornabe gezeigt. Zur spanabhebenden Bearbeitung des Durchlasses 66 ist es schwierig, irgendeine Art von Maschinenwerkzeug bis zu dem Grund der Schaufel gelangen zu lassen, um diese richtig auszubilden, ohne daß die benachbarte Schaufel zerstört wird. Die Kombination von Blattneigung und BlattVerdrehung längs der Nabe macht die Unterseite der Schaufelwurzeln unzugänglich. Das gilt nicht für radiale oder beinahe radiale Schaufeln 60, wie sie zum Vergleich in Fig. 11 gezeigt sind. Das Werkzeug kann leichter zwischen den Schaufeln nach unten gelangen, um die Oberflächen zu bearbeiten. Diese Fertigungsschwierigkeit hat die Schaufelneigung auf weniger als etwa 15° begrenzt.

Die Fertigung würde jedoch nicht das einzige Problem bei der stark geneigten Schaufel 51 (Fig. 5 und 8) sein. In modernen Verdichtern drehen sich die Radialräder, d.h. die Zentrifugalstufen mit Drehzahlen bis zu 90000 ü/min und empfangen Einlaßluft mit überschallrelativgeschwindigkeiten. Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Querschnitt von Radschaufeln an einem Radeinlaß. Eine vollkommen radiale Schaufel 61 ist mit ausgezogenen Linien dargestellt. Der Mittelpunkt der Schaufel 61 folgt einer radialen Linie von der Drehachse aus. Eine nichtradiale Schaufel 63, die mit gestrichelten Linien dargestellt ist, weist eine Neigung auf, wie sie beschrieben worden ist. Die geneigte Schaufel 63 ist der Zentripetalbeschleunigung ausgesetzt, die auf die Schaufel einwirkt, um eine Kraft zu erzeugen, die bestrebt ist, die Schaufel zu einer radialen Schaufel geradezurichten. Diese Kraft übt die Hauptbeanspruchung auf geneigte Laufschaufeln aus.

Die Zentripetalbeschleunigung erzeugt eine starke Beanspruchung in der geneigten Schaufel 63 an dem Fuß nahe der Nabe. In der Praxis begrenzt die Beanspruchung in Radialradschaufeln die Neigung auf weniger als etwa 12°- 15°.

Es kann beispielsweise beobachtet werden, daß ein Bleistift, der an einem Faden schnell gedreht wird, bestrebt ist, von der Drehachse aus gerade zu bleiben. Das gleiche gilt für die Schaufelspitzen eines Schaufelrades. Deshalb wird eine radiale Schaufel wie die Schaufel 61 an der Wurzel eine sehr geringe Biegebeanspruchung erfahren; die Schaufel würde auf Zug beansprucht und würde die gerade, nach außen gerichtete Drehposition beibehalten. Bei einer stark geneigten Schaufel wie der Schaufel 51 sind jedoch die auf die Schaufel einwirkenden Kräfte bestrebt, die Schaufel geradezurichten, weshalb an dem Drehpunkt, der an der Wurzel auftritt, die Schaufel sowohl auf Biegung als auch auf Zug beansprucht würde. Eine geneigte Schaufel hat deshalb eine höhere maximale Spannungsbelastung als eine radiale Schaufel, die sich mit derselben Geschwindigkeit dreht.

Ein weiterer Nachteil einer großen Schaufelneigung wie bei der Schaufel 51 tritt nur in modernen Transschallverdichtern auf, wie sie für die effizientesten Flugzeuggasturbinen gegenwärtig hergestellt werden. In solchen Verdichtern liegt die Luftgeschwindigkeit nahe dem Schaufelradeinlaß bei Überschallgeschwindigkeiten. Die umlaufenden Schaufeln sind deshalb tJberschallstoßwellen ausgesetzt. Diese überschallstoße in Kombination mit der Schaufelneigung machen einen effizienten Entwurf der Strömungsdurchlässe für überschallrelativgeschwindigkeiten viel schwieriger. Die großen Schaufeln, die in gegenwärtig verwendeten Schaufelrädern erforderlich sind, machen einen effizienten überschallentwurf deshalb sehr schwierig.

Die Schaufelgeschwindigkeit nimmt zu, wenn man sich radial von dem Drehungsmittelpunkt wegbewegt, wie oben erläutert. Die Strömung an dem Zentrifugalauslaß ist jedoch völlig anders. Die Luftströmung wird von der Drehachse aus zentrifugal nach außen gerichtet. Deshalb drehen sich sowohl die Schaufelspitze als auch die Schaufelnabe mit derselben Geschwindigkeit, da sie denselben radialen Abstand von der Drehachse haben. Zum Erzeugen einer effizienten Strömung sollten die Schaufeln an dem Zentrifugalauslaß praktisch rechtwinkelig zu der Nabe sein. Deshalb führt das Verbinden der optimierten Luftströmungsprofile für die Schaufel 51 mit einer durchgehenden Schaufel mit akzeptabler Neigung an dem Einlaß zu einem unwirksamen Auslaß 58. Ein solcher Auslaß würde dazu führen, daß eine stark verzerrte und turbulente Strömung den Radauslaß verläßt. Die Luft, die den Radauslaß verläßt, verläßt das Zentrifugalströmungsfeld, welches durch das Radialrad erzeugt wird, und geht zu einem stationären Diffusor. Es ist für einen Diffusor sehr schwierig, turbulente Austrittsluft wirksam zu handhaben.

In den Fig. 5 und 8 ist gezeigt worden, daß die nichtradiale durchgehende Schaufel 51 ineffizient ist. Eine solche Schaufel könnte nicht auf einfache Weise hergestellt werden, und, wenn sie hergestellt würde, würde sie hinsichtlich der möglichen Drehgeschwindigkeit wegen der Biegebeanspruchung stark beschränkt sein.

Herkömmliche Schaufelräder sind deshalb ein Kompromiß, wie es durch die herkömmliche Schaufel 38 in Fig. 9 gezeigt ist. Die Schaufel 38 folgt weder an der Schaufelspitze noch an der Schaufelwurzel dem optimalen Profil. Deshalb wird die Diffusionsgeschwindigkeit des Fluids etwas ungleichmäßig sein, und zwar sowohl von der Nabe zur Spitze als auch axial über der Länge der Schaufel. Dieser Kompromiß ge-

stattet das Herstellen einer akzeptablen Schaufel mit etwas Neigung und einem richtigen Zentrifugalauslaß. Das Strömungsprofil der Luft, die den Luftauslaß verläßt, hat Turbulenz und eine Sekundärströmung, und zwar wegen der ungleichen Arbeit, die verrichtet wird, und wegen einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit.

Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Radialrädern besteht darin, daß, wenn der Nabenradius vom Einlaß zum Auslaß zunimmt, die Schaufeln divergieren. Diese Divergenz führt zu breiteren Luftdurchlässen zwischen den Schaufeln und zu größerer Luftdiffusion. Da durch die Schaufeln an der Luft keine effektive Arbeit verrichtet wird, tendiert die Luft zur Verlangsamung oder Diffusion, und diese geringere Geschwindigkeit führt zu stark erhöhtem Druck. Die Pumpwirkung des Verdichters wird durch einen schnellen Anstieg der Diffusion weniger effizient gemacht.

Bei herkömmlichen Radialrädem ist versucht worden, diese übermäßige Diffusion durch die Verwendung von verkürzten Schaufeln 40 (Fig. 2) zu begrenzen. Die verkürzten Schaufeln 40 sind verkürzte Versionen der herkömmlichen durchgehenden Schaufeln 38, die von dem Radeinlaß bis zum Auslaß gehen. Die verkürzten Schaufeln beginnen stromabwärts des Einlasses und enden an dem Gasauslaß, wo die durchgehenden Schaufeln enden. Diese verkürzten Schaufeln, die an dem Fluid in den Kanälen zwischen den durchgehenden Schaufeln Arbeit verrichten, gestatten eine Erhöhung des Wirkungsgrades. Da die verkürzten Schaufeln in Übereinstimmung mit den durchgehenden Schaufeln ausgerichtet sein müssen und am besten in der Mitte des durch die durchgehenden Schaufeln gebildeten Strömungsdurchlasses angeordnet werden, werden Entwurfskompromisse gemacht, die ihre Wirksamkeit begrenzen. Die verkürzten Schaufeln können nicht vollständig der Gasströmung angepaßt werden, um die übermäßige Diffusion gänzlich zu kon-

-SG-

trollieren.

Eine Eigenschaft der herkömmlichen Schaufel ist deshalb, daß die Luft zur zu schnellen Diffusion in der Nähe der Nabe tendiert. Die Schaufel 38 ist zwar eine Verbesserung gegenüber einer rein radialen Schaufel, sie ist jedoch beim Erzeugen einer gleichmäßigen Druckströmung nicht so effizient wie die theoretisch mögliche durchgehende Zentrifugalschaufel. Die herkömmliche Schaufel ist ein erzwungener Kompromiß aufgrund der oben dargelegten Faktoren. Eine herkömmliche durchgehende Schaufel ist deshalb auf weniger als 15° Neigung beschränkt, was zum Verhindern von übermäßiger Diffusion an der Nabe unzureichend ist.

Rechts in Fig. 5 sind drei Schaufeln 46, 48 und 50 dargestellt, die eine stark verbesserte Luftströmung hoher Effizienz ergeben und den optimalen Schaufelprofilen enger folgen. Alle drei Schaufeln sind spanabhebend bearbeitbar und mechanisch stabil, wie es die perspektivische Darstellung in Fig. 10 zeigt.

Ein Vorteil der Erfindung ist, daß mehrere Schaufeln statt der einzelnen Zentrifugalschaufel benutzt werden. Die mehreren Schaufeln gestatten eine Reinitialisierung von Strömungsprofilkombinationen längs mehreren Teilen des Luftstroms. Das gestattet, den Blattwinkel wirksamer an die optimalen theoretischen Strömungsprofile anzupassen.

Die in Fig. 5 gezeigte Strömung kann als eine kontinuierliche Strömung betrachtet werden, die in unendliche Stromlinien unterteilt werden kann. Durch Reinitialisieren der Strömungsprofilkombination können deshalb die Schaufelwinkel unterschiedlichen Stromlinien auf optimale Weise angepaßt werden. Eine durchgehende Schaufel ist nicht in der Lage, Strömungsprofilkombinationen zu reinitalisieren, da sie nur

einer Gruppe von Stromlinien auf dem gesamten Strömungsweg des Schaufelrades folgt.

Die Verwendung von mehreren Schaufelkränzen ermöglicht eine größere Kontrolle über die Luftströmung, und zwar so, wie wenn eine einzelne durchgehende Schaufel über die 15°-Grenze hinaus, die oben erläutert ist, geneigt werden könnte. Effektiv würde eine durchgehende Schaufel mit denselben Luftströmungseigenschaften eine viel größere Neigung haben.

Der erste Schaufelkranz oder Einlaufkranz 46 ist ein Kranz von geneigten Schaufeln, der überwiegend axiale Eigenschaften hat. Zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades sind zwei Hauptentwurfsprinzipien zusätzlich zu denen angewandt worden, die im allgemeinen beim Entwurf eines Verdichterschaufelkranzes benutzt werden.

Die Einlaufstufe ist so ausgelegt worden, daß sie den optimalen Stromlinien folgt, die in Fig. 5 gezeigt sind. Der Einlaufschaufelkranz ist dadurch so ausgelegt, daß er eine Strömung mit besonderem Druckverhältnis erzeugt und die Differenz in den Diffusionsgeschwindigkeiten an der Schaufelspitze und der Schaufelwurzel minimiert. Das erfolgt durch Verwendung von unterschiedlichen Schaufelwinkelprofilen an der Wurzel und an der Spitze. Dadurch, daß den optimalen Stromlinien gefolgt wird, werden der Radnaben- und der Schaufelwurzelbereich in bezug auf die Spitze aerodynamisch entlastet. Wenn die Nabe in bezug auf die Spitze nicht entlastet wäre, käme es zu einem unerwünschten Druckanstieg und zu einer unerwünschten Luftströmungsstagnation wegen des kleinen Durchflußquerschnittes und der langsamen Äbsolutgeschwindigkeit der Schaufel an der Wurzel. Die Diffusionsgeschwindigkeit an der Schaufelwurzel und an der Schaufelspitze ist im wesentlichen gleich, d.h. nahezu gleich, wenn die Einlaufstufe gemäß den optimalen Strom-

linien ausgelegt wird. Die axiale Länge der Schaufel ist jedoch verkürzt worden, so daß die Neigung, die zum Gleichmachen der Diffusionsgeschwindigkeit benutzt worden ist, auf den Bereich innerhalb zulässiger geometrischer und aerodynamischer Grenzen beschränkt wird.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades wird der den Schaufelkranz der Einlaufstufe 46 verlassende Luftdruck gleichgemacht. Das bedeutet, daß der Luftdruck von der Radnabe zum Mantel, der die Schaufeln an ihrer Hinterkante verläßt, relativ konstant ist.

Die Einlaufstufe ist deshalb für den Einlaßguerschnitt des Radialrades optimiert worden. An die Einlaufstufe schließt sich ein kurzer axialer Spalt 47 an (Fig. 10), wo die Luftströmung durch das Rad nicht weiter verdichtet wird. Dieser axiale Spalt gestattet der Luftströmung, sich zu vermischen, und ermöglicht die Änderung in der Geometrie des folgenden Schaufelkranzes. Eine Übergangsstufe 48 ist gemäß den optimalen Strömungseigenschaften des zentralen Teils des Radialradströmungsweges ausgelegt.

Die Übergangsstufe 48 bringt die Strömung aus dem mehr axialen vorderen Teil des Rades zu dem mehr zentrifugalen Bereich in der Nähe der Auslaßstufe. Der Schaufelkranz 48 folgt ebenfalls den optimalen Stromlinien, die in Fig. 5 gezeigt sind. Der Schaufelkranz ist radial geneigt, um eine relativ konstante, kontrollierte Diffusionsgeschwindigkeit von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze zu gestatten. Wie bei der Einlaufstufe folgt die Schaufelwurzel einem anderen Blattwinkelprofil als die Schaufelspitze, wodurch der Schaufel gestattet wird, die Differenz in der Drehgeschwindigkeit zwischen der Wurzel und der Spitze und die Unzulänglichkeiten, die durch Dreheffekte verursacht würden, zu kompensieren. An dem Schaufelkranzauslaß wird der Luftdruck

durch diesen Entwurf relativ konstant gehalten.

Die Verwendung von divergierenden Schaufelwinkelprofilen oder optimalen Stromlinien führt zur Schaufelneigung. Wie bei der Einlaufstufenschaufel wird die axiale Länge so festgelegt, daß die Neigung auf den Bereich innerhalb zulässiger Grenzen beschränkt wird. Durch die Beachtung der obigen Kriterien wird ein effizienteres Übergangsgebiet geschaffen. In einer durchgehenden Schaufel muß das Übergangsgebiet ein Kompromiß sein, um die aerodynamischen und mechanischen Anforderungen an den Lufteinlaß 42 und den Auslaß 44 zu erfüllen.

Wie bei dem Einlaufschaufelkranz gibt es einen axialen Spalt 49 hinter dem Übergangskranz 48. Der axiale Spalt 49 ermöglicht die Änderung in der Geometrie des Auslaßkranzes 50 und die Luftstromvermischung zwischen den Kränzen.

Die Gleichdruckluftströmung, die die Übergangsstufe verläßt, tritt in die Auslaß- oder Austrittsstufe 50 ein. Ebenso wie die Übergangsstufe kann die Auslaßstufe für diesen Querschnitt des Radialrades gänzlich optimiert werden. Da die Luftströmung einem zentrifugalen Strömungsweg auf dem größten Teil der Länge der Auslaßschaufeln 50 folgt, gestattet ein wirksamer Austritt der Luft, von dem Radialrad aus zentrifugal nach außen in den stationären Diffusor geschleudert zu werden. Eine wirksame Art, das zu erreichen, besteht darin, die Schaufeln an dem Auslaß rechtwinkelig zu der Nabe anzuordnen. Da diese Schaufeln an dem Auslaß in demselben radialen Abstand von der zentralen Drehachse sind, wird jedweder Mangel an Rechtwinkeligkeit als Geneigtheit oder geneigte Stellung (rake) und nicht als Neigung (lean) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden. Was unter Neigung zu verstehen ist, ist anhand der Beziehung der Schaufelauslaßposition zur stromauf wärtigen Schaufelposition beschrieben worden. Die oben

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erläuterten Neigungsbegrenzungsprobleme sind in dem Auslaßschaufelkranz weniger bedeutsam, da in bezug auf die Zentripetalbeschleunigung die Schaufel an ihrer Seite fest gehalten und gegen Biegebeanspruchungen widerstandsfähiger ist. Die Beanspruchung ist deshalb für den Auslaßschaufelkranz ein weniger wichtiger Faktor als für die vorangehenden Schaufelkränze.

Die Auslaßschaufeln 50 müssen eine gewisse Neigung haben, um den optimalen Strömungsprofilen zu folgen, die in Fig. 5 gezeigt sind. Wie bei den vorhergehenden beiden Schaufelkränzen wird die Diffusion des Fluids auf einer kontrollierten und relativ konstanten Geschwindigkeit von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze gehalten. Darüber hinaus ist beim Verlassen des Radialrades der Fluiddruck in dem gesamten Auslaßbereich relativ konstant.

Es ist deshalb gezeigt worden, daß die Neigung sowohl an den Vorder- als auch an den Hinterkanten der Stufen eines mehrschaufeligen Rades viel kleiner ist als in dem Fall der herkömmlichen Radschaufel, die so ausgelegt ist, daß dieselbe oder ein ähnliche kontrollierte Diffusionsgeschwindigkeit über der Schaufelhöhe erzielt wird. Die so erreichte Verbesserung gestattet die Optimierung des Schaufelströmungsprofils mit akzeptabler Neigung.

Die Wirkungsgradforderungen werden in jedem der drei Schaufelkränze dadurch erfüllt, so daß die durch das mehrstufige Radialrad erzeugte Strömung auf einem viel höheren Wirkungsgradwert ist als ein herkömmliches Radialrad. Bei einem Radialrad mit durchgehenden Schaufeln können weder die geometrischen noch die aerodynamischen Probleme auf ebenso wirksame Weise gelöst werden.

Es gibt jedoch zusätzliche Verbesserungen aufgrund der Verwendung des mehrstufigen Rades. Da es drei getrennte Schau-

feikränze gibt, kann die Anzahl der Schaufeln in jedem Schaufelkranz verändert werden, um das Volumen des DurchfluSquerschnittes, die Drehgeschwindigkeit und das Druckverhältnis, die jede Stufe verlangt, anzupassen. Die getrennten Schaufelkränze können umfangsmäßig in bezug aufeinander so eingestellt werden, daß der maximale Wirkungsgrad erzielt wird. Weiter können sie so hergestellt werden, daß die Vorderkanten der hinteren Schaufelkränze stromaufwärts der Hinterkanten des vorangehenden Schaufelkranzes beginnen.

In jedem Schaufelkranz sind die Schaufeln, die auf das Fluid einwirken, dem Durchflußquerschnitt angepaßt, in welchem der Schaufelkranz ebenfalls verändert wird, um eine kontrollierte Diffusionsgeschwindigkeit zu erzeugen, wenn die Luft durch das Schaufelrad hindurchgeht. Das Anpasssen sowohl der Schaufelzahl als auch der Schaufelform an die optimalen Strömungseigenschaften führt zu einer starken Wirkungsgradverbesserung. Mit herkömmlichen Schaufeln kann kein ebenso hoher Wirkungsgrad erzielt werden, wie oben dargelegt, da die einzige Änderung in der Schaufelzahl oder in der Festigkeit durch das Hinzufügen von verkürzten Schaufeln erfolgen kann, die lediglich dem KomproHißströmungsweg der durchgehenden Schaufeln folgen können.

Es sei außerdem beachtet, daß alle drei Schaufelkränze leicht maschinell bearbeitet werden können. Das Rad selbst kann in einem Stück oder in mehreren Teilen, die zusammengebaut werden, hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß unterschiedliche Materialien für den vorderen und den hinteren Schaufelkranz verwendet werden können, die gesondert maschinell bearbeitet werden und die Materialauswahl für die Spannungs- und Temperaturwerte dieses Ortes optimieren können. In der bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung (Fig. 3) wird jeder Schaufelkranz (46, 48, 50) als ein gesondertes Teil maschinell bearbeitet.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß dadurch, daß die Schaufelzahl zwischen den Schaufelkränzen verändert werden kann und die Schaufelkränze gemäß den unterschiedlichen Strömungsbereichen des Radialrades individuell optimiert werden können, die Unzulänglichkeiten, die die bekannten Radialräder aufweisen, weitgehend korrigiert werden können. Es hat sich gezeigt, daß die aerodynamischen und geometrischen Zwänge bei dem herkömmlichen Radialrad durch die Verwendung des hier beschriebenen Radialrades mit mehreren Schaufelkränzen überwunden werden können.

Die theoretische Berechnung und experimentelle Ergebnisse zeigen, daß das Minimieren der Diffusionsgeschwindigkeit von der Schaufelspitze zur Schaufelwurzel und das Erzeugen von relativ konstanten Drücken zwischen jedem Schaufelkranz, wie oben erläutert, eine wirksame Verbesserung des Radialradwirkungsgrades mit sich bringen. In Abhängigkeit von dem Druckverhältnis, das in dem Triebwerk erforderlich ist, in welchem ein Radialrad benutzt werden soll, kann die Anzahl der Schaufelkränze auf der zentrifugal geformten Nabe verändert werden. Bei kleineren Laufrädern können nur zwei Kränze notwendig sein, während bei den größeren Laufrädern, die mit einem höheren Druckverhältnis pumpen, mehr als drei Schaufelkränze in Wirklichkeit erforderlich sein können.

Oben ist ein Radialrad beschrieben, das den möglichen aerodynamischen Wirkungsgrad beträchtlich steigert, der durch Radialräder erzielt werden kann. Radialräder nach der Erfindung können nun in Gasturbinentriebwerken universeller benutzt werden.

Radialräder nach der Erfindung können als äußerst wirksame letzte Verdichtungsstufen in praktisch jeder Gasturbine benutzt werden und gestatten die Verringerung der Gesamttriebwerkslänge durch Beseitigen der Axialstufen und der diesen zugeordneten Leitradteile. Das erlaubt eine beträchtliche Verringerung des Gewichts von Gasturbinentriebwerken und gleichzeitig eine Steigerung des reziproken Schubgewichts der Triebwerke. Diese Steigerungen führen zu einem größeren Wirkungsgrad und zu einem geringerem Brennstoffverbrauch.

Im Rahmen der vorstehend beschriebenen Erfindung können verschiedene ähnliche Radialräder sowohl für Gasturbinen als auch für Nichtgasturbinenzwecke entworfen und konstruiert werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche: '

IJ Radialverdichter zum Verdichten eines Fluids, gekennzeichnet durch:

a) einen ersten oder Einlaßschaufelkranz (46) mit mehreren Schaufeln, von denen jede anderen im wesentlichen optimalen Luftstromlinien an der Wurzel (29) und an der Spitze (31) angepaßt ist, damit insgesamt eine Gleichdruckströmung am Auslaß des ersten Schaufelkranzes erzeugt wird; und

b) einen zweiten Schaufelkranz (50) mit mehreren Schaufeln, der axial versetzt von dem ersten Schaufelkranz angeordnet ist und dessen Schaufeln jeweils im wesentlichen unterschiedlichen optimalen Luftstromlinien an der Wurzel (29) und an der Spitze (31) angepaßt sind, damit insgesamt eine GIeichdruckströmung an dem Auslaß (44) des zweiten Schaufelkranzes erzeugt wird.

2ο Mehrstufiger Radialverdichter, gekennzeichnet durch: a) einen ringförmigen Strömungsweg, der im wesentlichen parallel zu einer Drehachse an einem Einlaß (42) und

im wesentlichen rechtwinkelig zu der Drehachse an einem Auslaß (44) ist, wobei die äußere Oberfläche des Strömungsweges durch einen stationären Mantel (23) und die innere Oberfläche durch eine Laufradnabe (27) gebildet wird,

b) wobei das Laufrad (36) wenigstens zwei Schaufelkränze (46, 50) aufweist, die auf der Laufradnabe angeordnet sind,

c) wobei die Schaufelkränze unterschiedliche Anzahlen von Laufschaufeln aufweisen.

3. Radialverdichter zum Verdichten eines Fluids, gekennzeichnet durch:

a) eine Einlaßstufe (46) mit mehreren Schaufeln, die jeweils ein Profil mit einer Neigung haben, das die Diffusion des Fluids an der Wurzel (29) und der Spitze (31) der Schaufel im wesentlichen gleichmacht; und

b) eine zweite Stufe (50) mit mehreren Schaufeln, die jeweils ein Profil mit einer Neigung haben, das die Diffusion des Fluids an der Wurzel und an der Spitze der Schaufel im wesentlichen gleichmacht.

4. Mehrstufiger Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch:

a) einen Einlaßschaufelkranz (46), dessen Schaufeln wie ein verdrehtes Blech ausgebildet sind, wobei sich das Schaufelspitzenprofil von dem Schaufelwurzelprofil unterscheidet, damit sowohl die Schaufelspitze (31) als auch die Schaufelwurzel (29) dem Arbeitsfluid eine im wesentlichen gleiche Diffusionsgeschwindigkeit geben, und

b) einen Auslaßschaufelkranz (50), der so geformt ist, daß er eine hauptsächlich zentrifugale Strömung erzeugt, wobei die Schaufelwurzel- und Schaufelspitzenprofile an dem Fluidauslaß (44) im wesentlichen gleich sind.

5, Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die axiale Schaufelkranzlänge so festgelegt wird, daß die Schaufelspitzenneigung minimiert wird, während eine im wesentlichen gleiche Fluiddiffusionsgeschwindigkeit zur Erzeugung einer gleichmäßigen Fluidverdichtung über der Schaufelhöhe von der Wurzel (29) bis zur Spitze (31) erzeugt wird.

6 ο Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelkränze (46, 50) axial versetzt gegeneinander angeordnet sind, um den nachfolgenden Schaufelkränzen zu gestatten, die Strömung gemäß optimierten Schaufelwinkeln für jedes Strömungsgebiet des Laufrades (36) zu reinitialisieren.

7 ο Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche

2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelkränze (46, 50) so geformt sind, daß im wesentlichen eine Gleichdruckluftströmung an den Schaufelkranzauslässen erzeugt wird.

8» Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Variation der Schaufelzahl in den Laufschaufelkränzen (46, 50), um eine kontrollierte Diffusionsgeschwindigkeit vom Laufradeinlaß (42) zum Laufradauslaß (44) aufrechtzuerhalten.

9ο Mehrstufiger Radialverdichter, gekennzeichnet durch: einen stationären Mantel (23), der ein Radialrad (36) umgibt, wobei der Mantel in Verbindung mit dem Radialrad ein ringförmiges Strömungsgebiet für ein Verdichterarbeitsfluid begrenzt, in welchem die Fluidströmung in einem Arbeitsfluideinlaß (42) im wesentlichen parallel zu einer

Achse der Radialraddrehung und die Fluidströmung in einem Arbeitsfluidauslaß (44) im wesentlichen rechtwinkelig zu der Radialraddrehachse ist, wobei das Radialrad aus wenigstens zwei Schaufelkränzen (46, 50) besteht und wobei

a) das Radialrad (36) sich als eine Einheit dreht, die keine zwischen den Laufschaufelkränzen angeordneten Leitschaufeln hat,

b) die aufeinanderfolgenden Laufschaufelkränze (46, 50) zunehmende Laufschaufelzahlen aufweisen, und

c) jeder Laufschaufelkranz von jedem anderen Schaufelkranz getrennt ist.

10. Mehrstufiger überSchallradialverdichter, gekennzeichnet durch:

a) ein gleichmäßig drehbares, beschaufeltes Laufradformstück (36), das wenigstens drei Lauf schaufelkränze (46, 48, 50) aufweist, wobei:

i) jeder Schaufelkranz aus einem getrennten und diskontinuierlichen mechanischen Formstück besteht,

ii) die Anzahl der Schaufeln in jedem Schaufelkranz durch das Umfangsvolumen des Strömungsbereiches und die Laufraddrehzahl bestimmt wird, so daß eine kontrollierte Fluiddiffusionsgeschwindigkeit in dem gesamten Verdichter erzeugt wird, iii) jeder Schaufelkranz von jedem anderen Kranz axial entfernt ist,

b) einen stationären Mantel (23), der das Laufrad (36) umgibt, wobei:

i) der Mantel in Verbindung mit dem Laufrad das ringförmige Strömungsgebiet eines Verdichterarbeitsfluids begrenzt,

ii) der Mantel in Verbindung mit dem Laufrad den Arbeitsfluideinlaß und -auslaß begrenzt,

c) einen Strömungseinlaß (42), in welchem die Fluidströmung im wesentlichen parallel zu der Achse der

Laufraddrehung ist, und

d) einen Strömungsauslaß (44), in welchem die Fluidströmung im wesentlichen rechtwinkelig zu der Achse der Laufraddrehung ist.

11. Mehrstufiger Radialverdichter nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch:

a) einen Einlaßschaufelkranz (46), dessen Schaufeln wie ein verdrehtes Blech ausgebildet sind, um eine optimierte, hauptsächlich axiale Strömung mit im wesentlichen gleichen Luftströmungsdiffusionsgeschwindigkeiten sowohl an der Schaufelnabe (27) als auch an der Schaufelspitze (31) zu erzeugen,

b) einen zweiten Schaufelkranz (48), der so geformt ist, daß eine gemischte axiale und zentrifugale Strömung mit im wesentlichen gleichen Luftströmungsdiffusionsgeschwindigkeiten sowohl an der Schaufelspitze (31) als auch an der Schaufelnabe (27) erzeugt wird, und

c) einen Auslaßschaufelkranz (50) , der so geformt ist, daß eine hauptsächlich zentrifugale Strömung erzeugt wird.

12. Mehrstufiger Radialverdichter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaufelkränze (46, 48, 50) individuell geformt und mechanisch getrennt sind, so daß die erforderliche Schaufelspitzenneigung auf weniger als 15° verringert ist, während insgesamt gleiche Diffusionsgeschwindigkeiten über der Höhe jeder Schaufel erhalten bleiben.

13. Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Hinterkante des Auslaßschaufelkranzes (50) parallel zu der Drehachse ist, praktisch keine Geneigtheit hat, und eine hauptsächlich zentrifugale Fluidströmung an dem Lauf-

radfluidauslaß (44) erzeugt.

14. Mehrstufiger Radialverdichter nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch:

eine Zunahme der Schaufelzahlen in aufeinanderfolgenden Schaufelkränzen (46, 48, 50) zum Erzeugen einer kontrollierten Diffusionsgeschwindigkeit der Fluidströmung, wenn sich das Fluid durch den Radialverdichter bewegt.

15. Mehrstufiges Überschallradiallaufrad, gekennzeichnet durch:

wenigstens zwei Strömungsgebiete von Schaufelkränzen (46, 50), wo die Schaufelkränze umfangsmäßig versetzt sind, mit einem Einlaufgebiet zum Aufnehmen von hauptsächlich axialer Fluidströmung und mit einem Austrittsgebiet zum Abgeben von hauptsächlich zentrifugaler Fluidströmung sowie mit unterschiedlichen Schaufelzahlen in jedem Schaufelkranz.

16. Laufrad nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch:

einen Einlaßschaufelkranz (46), der hauptsächlich für Fluidüberschallrelativgeschwindigkeiten ausgelegt ist, die sich mit den temperaturkorrigierten LaufradschaufelSpitzengeschwindigkeiten von über 400 m/s (1200 ft/sec) vertragen, wobei der Einlaßschaufelkranz verdrehte Schaufeln hat, bei denen sich der Schaufelwinkel an der Spitze (31) von dem Schaufelwinkel an der Wurzel (29) unterscheidet.

17. Laufrad nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (36) aus mehreren Teilen zusammengebaut ist.

18. Verfahren zum Verdichten einer Fluidströmung und zum Umwandeln einer Fluidströmung aus einer axialen in eine zentrifugale Strömung in einem Radialverdichter, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Verdichten des Fluids auf optimierte axiale Weise in einem ersten Schaufelkranz, und

b) Weiterverdichten des Fluids in einem Auslaßschaufelkranz mit einem optimierten Radialauslaß,

c) wobei die FluidstrÖmung eine Diffusion mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit über der Schaufelhöhe erfährt, wenn sich das Fluid durch den Verdichtungsabschnitt bewegt, und zwar mit Hilfe einer Veränderung des Schaufelwinkels von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch: gleichmäßiges Druckbeaufschlagen des Fluidströmungsfeldes an jedem Schaufelkranzauslaß.

20. Verfahren nach Anspurch 18, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

Verändern der Schaufelfestigkeit von der Schaufelwurzel zur Schaufelspitze, um die Fluiddiffusionsgeschwindigkeiten in dem Verdichter vom Einlaß zum Auslaß zu verringern.

21. Verfahren zum Verdichten einer FluidstrÖmung in einem einstückigen Radialverdichter und zum Umwandeln der FluidstrÖmung aus einer axialen in eine zentrifugale Strömung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Verdichten des Fluids auf optimierte axiale Weise in einem Eintrittsschaufelkranz,

b) Weiterverdichten des Fluids auf eine Weise, daß ein Übergang auf zentrifugale Verdichtung erfolgt, in einem zentralen Schaufelkranz, und

c) Weiterverdichten des Fluids in einem optimierten Zentrifugalschaufelkranz, wobei die FluidstrÖmung durch Veränderung der Festigkeit der Schaufelkränze eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit erhält, wenn sie sich durch den ringförmigen Verdichtungsabschnitt bewegt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch: Druckbeaufschlagen des Fluids auf im wesentlichen konstante Weise an den Schaufelkranzauslässen.

23. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch: Verringern der Schaufelneigung durch periodische Reinitialisierung von optimalen Schaufelwinkelprofilen.