DE3503421C2 - Axialverdichter für eine Turbomaschine - Google Patents
Axialverdichter für eine TurbomaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter für eine Turbo
maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein
derartiger Axialverdichter ist aus der US-PS 42 38 170 bekannt.
Als ein Ergebnis der steigenden Brennstoffpreise wäh
rend der 70er-Jahre haben Flugzeugtriebwerksbauer da
nach getrachtet, den Wirkungsgrad ihres Produkts zu
verbessern. Ein Bereich des Gasturbinentriebwerks, der
untersucht worden ist, ist der Verdichter. Grundsätz
lich besteht der Verdichter aus einer Anzahl von be
schaufelten Verdichterscheiben, die sich mit hoher
Drehzahl drehen und den Druck eines durch den Verdich
ter hindurchgehenden Luftstroms erhöhen. Die Hoch
druckluft, die den Verdichter verläßt, wird mit Brenn
stoff vermischt und in einer Brennkammer verbrannt. Die
Abgase werden dann in einem Turbinenrad entspannt, wo
dem Abgasstrom Arbeit entnommen wird.
Die Luftströmung durch den Verdichter kann in zwei brei
te Gebiete unterteilt werden, nämlich in das Endwand
strömungsgebiet in der Nähe sowohl des Gehäuses als auch
der Nabe, wo viskose Grenzschichteffekte und Laufschau
fel/Leitschaufel-Spitzeneffekte dominieren, und in das
Mittenströmungsgebiet in dem zentralen Teil des Verdich
ters, wo die vorgenannten Effekte klein oder venachläs
sigbar sind. Ungefähr 50% sämtlicher Verdichterverluste
treten in dem Endwandgebiet auf.
Ein Zustand, der zu diesen Verlusten beiträgt und da
durch den Verdichterwirkungsgrad verringert, wird durch
den Spalt verursacht, der normalerweise zwischen dem
Ende oder der Spitze einer Verdichterlaufschaufel und dem umgebenden Ge
häuse in dem Endwandgebiet vorhanden ist. Luft, die
durch die umlaufende Laufschaufel verdichtet wird, hat
die Tendenz, über der Laufschaufelspitze durch diesen
Spalt zurückzuströmen oder zu lecken, was einen Spitzen
spaltwirbel ergibt. Dieser Wirbel tritt mit der Gehäuse
wandgrenzschicht in Wechselwirkung und erzeugt Spitzen
verluste.
Die typische Lösung zum Kontrollieren dieser Leckage be
steht darin, den Spalt zwischen der Laufschaufelspitze
und dem umgebenden Gehäuse zu minimieren. Sowohl das
Verdichtergehäuse als auch die Verdichterlaufschaufel
wachsen jedoch während des Triebwerksbetriebes radial.
Um einen Kontakt zwischen den Laufschaufeln und dem
Gehäuse zu vermeiden, muß ein ausreichender Spalt wäh
rend des normalen Triebwerksbetriebes gelassen werden,
um unterschiedliches Wachstum während transienter Be
triebsbedingungen zu gestatten. Eine andere Lösung be
steht darin, Reibberührungen zuzulassen und dafür ent
weder einen abschleifbaren Streifen in dem Gehäuse oder
eine abschleifbare Spitze an der Laufschaufel vorzu
sehen, um so einen gewissen Grad an kontrollierter
Reibberührung zu gestatten.
Gemäß der eingangs genannten US-PS 42 38 170 besteht eine
weitere Technik zum Verringern der Leckage an den
Laufschaufelspitzen darin, eine Vertiefung in
der Wand des Gehäuses zu bilden und die Laufschaufel
bis nahezu in eine Linie mit der ursprünglichen Gehäu
sewand zu verlängern. Diese Vertiefungen können die
Laufschaufelspitze während einigen oder allen Trieb
werksbetriebsperioden aufnehmen. Das Übergangsgebiet
von dem Verdichtergehäuse zu der Vertiefung zeichnet sich typisch
durch eine abrupte Änderung von der glatten Gehäusewand
aus. Diese Gebiete abrupten Überganges
finden sich sowohl an dem stromaufwärtigen als auch an dem strom
abwärtigen Ende der Vertiefung. Es sind beispielsweise Grä
ben mit rechteckigem Querschnitt bekannt, bei denen
die Übergangsgebiete durch rechte Winkel gebildet wer
den. Testergebnisse zeigen, daß solche Gräben besten
falls eine unbedeutende Verbesserung des Wirkungsgrades
ergeben und unter gewissen Bedingungen die Leistungs
fähigkeit tatsächlich verschlechtern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Axialverdichter der
eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die
Strömungsverluste an den Laufschaufelspitzen verringert
werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung und die durch sie erzielbaren Vorteile werden
nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Teils eines Verdich
ters eines Gasturbinentriebwerks gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine ausführlichere Ansicht einer Ver
dichterlaufschaufel, einer Leitschaufel
und eines benachbarten Gehäuses gemäß
der Darstellung in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht nach der Linie 3-3 in
Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht nach der Linie 4-4 in
Fig. 1 und
Fig. 5 eine ausführlichere Ansicht einer Ver
dichterleitschaufel, einer Laufschaufel
und einer benachbarten inneren Wand ge
mäß der Darstellung in Fig. 1.
Die Erfindung kann in dem Axialverdichter einer Turbo
maschine benutzt werden. Zu Erläuterungszwecken wird die
Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben.
Ein Teil eines Verdichterabschnitts 10 eines Gasturbinen
triebwerks, der einen Rotorkranz 12 und einen Stator
kranz 14 hat, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Rotorkranz 12
hat mehrere Laufschaufeln 18, die um die Triebwerksmit
tellinie 16 drehbar sind. Der Statorkranz 14 hat mehrere
Leitschaufeln 19, die in bezug auf die Mittellinie 16
feststehen. Eine Strömungsbahn 20 für die Bewegung von Luft
erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt. Der
Strömungsweg ist durch ein äußeres Gehäuse 22 mit einer
radial nach innen weisenden Oberfläche 24 und durch eine
innere Wand 26 mit einer radial nach außen weisenden
Oberfläche 28 begrenzt. Jede Laufschaufel 18 hat ein ra
dial äußeres Ende oder eine Laufschaufelspitze 80. Das
äußere Gehäuse 22 umschließt jeden Rotorkranz 12 in Umfangs
richtung. Ein Spalt 50 muß zwischen der umlaufenden Lauf
schaufelspitze 80 und dem feststehenden äußeren Gehäuse
22 aufrechterhalten werden, um eine Reibberührung zwi
schen denselben zu verhindern.
Jede Laufschaufel 18 ist in bezug auf die radial ange
ordnete Oberfläche 24 relativ drehbar, ebenso wie die
Leitschaufel 19 in bezug auf die radial angeordnete
Oberfläche 28 relativ drehbar ist. Weiter steht die Leit
schaufel 19 in bezug auf die Oberfläche 24 fest, und
die Laufschaufel 18 steht in bezug auf die Oberfläche
28 fest.
Wenn sich die Laufschaufeln 18 um die Mittellinie 16
drehen, wird Luft in die Strömungsbahn 20 in Richtung
insgesamt nach hinten bzw. stromaufwärts bewegt. Gleichzeitig wird die
Luft verdichtet, wenn sie jeden Rotorkranz 12 passiert,
wodurch ihr Druck erhöht wird. Infolgedessen ergibt sich
ein Gebiet 32 höheren Druckes hinter dem Rotorkranz 12
relativ zu einem Gebiet 34 niedrigeren Druckes vor dem
Rotorkranz 12. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 hat je
de Laufschaufel 18, die sich in der durch einen Pfeil
52 angegebenen Richtung dreht, eine druckseitige Ober
fläche 54 und eine saugseitige Oberfläche 56. Der Druck
an der Oberfläche 54 ist höher als der an der Oberfläche
56. Die Tendenz der Luft höheren Druckes, sich durch den
in Fig. 2 gezeigten Spalt 50 hindurch in das Gebiet nie
drigeren Druckes zu bewegen, was in Fig. 3 durch einen
Pfeil 58 angedeutet ist, trägt zu den Verlusten in Form
eines Spitzenspaltwirbels bei, der nahe dem radial äußeren
Ende der Spitze 80 der Laufschaufel 18 gebildet
wird.
Zu dem Verlustproblem trägt die Tatsache bei, daß die
Grenzschichtluft nahe der radial nach innen weisenden
Oberfläche 24 sich insgesamt in Richtung nach hinten bzw.
stromabwärts bewegt und mit der Luft in Wechselwirkung tritt, die
bestrebt ist, durch den Spitzenspalt 50 nach vorn bzw. stromaufwärts zu
strömen. Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung
wird die Vorwärtsbewegung der Spitzenspaltströmung blockiert,
ohne den Durchgang der sich
nach hinten bewegenden Hauptströmung zu behindern.
Fig. 2 zeigt eine Laufschaufel 18, eine Leitschaufel 19
und ein äußeres Gehäuse 22 in einer Ausführungsform der
Erfindung. In dem äußeren Gehäuse 22 ist eine sich in
Umfangsrichtung erstreckende Vertiefung 72 relativ zu
der Laufschaufel 18 und der Leitschaufel 19 radial an
geordnet. Die Vertiefung 72 hat eine insgesamt nach hin
ten (stromabwärts) weisende Wand 74, eine insgesamt nach vorn (stromaufwärts)
weisende Wand 76 und eine insgesamt axial gerichtete Wand 78. In
der gezeigten Ausführungsform ist die insgesamt nach hin
ten weisende Wand 74 zu der nach innen weisenden, radialen Ober
fläche 24 im wesentlichen senkrecht. Die nach vorn weisen
de Wand 76 bildet einen spitzen Winkel α mit der Ober
fläche 24. Eine axial gerichtete Wand 78 schneidet die
Wand 74 in einem Punkt 82 vorderhalb der Laufschaufel
18 und die Wand 76 in einem Punkt 84 hinter der Lauf
schaufel 18.
Die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration dient dem Zweck,
einen abrupten Wechsel von der Gehäuseoberfläche 24 zu
der Wand 74 an deren Schnittstelle 86 und keinen abrupten,
sondern einen relativ glatten Übergang von der Wand 76
zu der Gehäuseoberfläche 24 an der Schnittstelle 88 zu
erzeugen. Es wird angenommen, daß der abrupte Übergang
an der Schnittstelle 86 eine gute Ablösung der nach hin
ten strömenden Grenzschichtluft von der Oberfläche 24
bewirkt und gleichzeitig eine Barriere bzw. einen Damm in Form der Wand
74 zum Minimieren der Vorwärtsströmung aus dem Spitzen
spaltwirbel schafft. Es wird weiter angenommen, daß der
nichtabrupte Übergang von der Wand 76 auf die Oberfläche
24 an der Schnittstelle 88 einen aerodynamisch glatten
Übergang oder eine aerodynamisch glatte Strömung von Luft,
die aus der Vertiefung 72 in die Strömungsbahn 20 strömt,
gestattet.
Verschiedene Konfigurationen der Vertiefung 72 sind mög
lich, um diese Bedingungen zu erfüllen. Beispielshalber
kann die Wand 76 verschiedene relativ glatte Kurven bil
den, die einen nichtabrupten Übergang in die Oberfläche
24 an der Schnittstelle 88 bilden. In der in Fig. 2 ge
zeigten Ausführungsform bildet die Wand 76 eine Kurve,
die im wesentlichen eine gerade Linie ist, welche einen
Schnittwinkel α mit der Gehäuseoberfläche 24 bildet. In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel α ins
gesamt kleiner als oder gleich 10° sein. Dieser Winkel
wird jedoch von der Tiefe der Vertiefung 72, von dem
axialen Abstand zwischen den Endpunkten 84 und 88 der Wand 76 und von
der geometrischen Konfiguration der Wand 76 abhängen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laufschau
felspitze 80 der Wand 78 geometrisch angepaßt. Daher
bildet die Spitze 80 eine gerade Linie, die zu der Wand
78 im wesentlichen parallel ist. Demgemäß hat jeder
Punkt an der Spitze 80 im wesentlichen denselben radia
len Abstand von der Wand 78. Herkömmliche Laufschaufel
spitzen können vorteilhaft verwendet werden, wodurch das
Ausmaß an maschineller Bearbeitung reduziert wird, das
sonst erforderlich wäre, um der Spitze 80 ihren Umriß zu
geben. Weiter gestattet dies, daß ein konstanter Spitzen
spalt aufrechterhalten wird, wenn die Laufschaufel 18
axiale Auslenkungen erfährt.
Die radiale und die axiale Lage der Laufschaufelspitze 80
in bezug auf die Vertiefung 72 werden sich während des
Triebwerksbetriebes verändern, wenn die Laufschaufel 18
ausgelenkt wird, sich aufgrund der Fliehkraft elastisch
verformt oder thermisch anders wächst als das Gehäuse 22.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der
die Laufschaufelspitze 80 während des stationären Be
triebes relativ zu der Vertiefung 72 angeordnet ist.
Die kritischen Abmessungen bei diesem Betriebszustand
sind der axiale Abstand 49 zwischen der Laufschaufel 18
und der Wand 74 sowie der radiale Abstand oder der Spit
zenspalt 50 zwischen der Spitze 80 und der Wand 78. Der
Abstand 49 wird von mehreren Faktoren abhängig sein, zu
denen der Laufschaufelwerkstoff und die Geometrie gehö
ren. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Ab
stand 49 in der Größenordnung von 10% des Laufschaufel
umfangsabstands. Der Abstand 50 ist ebenfalls eine
Funktion des Laufschaufelwerkstoffes und der Geometrie.
Allgemein wird dieser Abstand so festgelegt, daß er
unterschiedliches Wachstum während Perioden transien
ten Triebwerksbetriebes gestattet. Gemäß einer bevor
zugten Ausführungsform wird dieser Abstand ungefähr
0,10% des Durchmessers des Rotorkranzes 12 betragen.
Die Abstände 49 und 50 können je nach dem besonderen
Verwendungszweck im Rahmen der Erfindung verändert wer
den. Weiter kann im Rahmen der Erfindung eine ab
schleifbare Auskleidung für die Wände 74 und 78 der
Vertiefung 72 und/oder eine abschleifbare Spitze an
der Laufschaufel 18 benutzt werden. In jedem dieser
Fälle können die Abstände 50 und/oder 49 auf bekannte
Weise verändert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die
in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine Vertiefung
90 in der radial nach außen weisenden Oberfläche 28
der inneren Wand 26 angeordnet und relativ zu dem
Statorkranz 14 und dem Rotorkranz 12 radial versetzt.
Wie die Gehäusevertiefung 72 wird die Vertiefung 90
durch drei Wände 92, 94 und 96 begrenzt. Die Wand 92
weist insgesamt nach hinten (stromabwärts) und bildet einen abrupten
Wechsel von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle
98. Die Wand 96 weist insgesamt nach vorn (stromaufwärts) und bildet
einen relativ unabrupten Wechsel von der Oberfläche 28
an ihrer Schnittstelle 100. Die insgesamt axial gerich
tete Wand 94 schneidet die Wand 92 in dem Punkt 102
stromaufwärts des Statorkranzes 14 und die Wand 96 in ei
nem Punkt 104 stromaufwärts von dem Statorkranz 14.
Der Statorkranz 14 bewegt sich zwar nicht, seine Be
ziehung zu der inneren Wand 26 gleicht aber der Be
ziehung zwischen dem Rotorkranz 12 und dem äußeren
Gehäuse 22. Jeder hat einen Kranz von Schaufeln, die
in bezug auf eine radial angeordnete Oberfläche re
lativ drehbar sind. Weiter erfährt die Luft, die durch
jeden Kranz hindurch nach hinten geht, einen Druckan
stieg. Infolgedessen ist die Luft bestrebt, sich über
die Schaufelspitze hinweg aus einem Gebiet höheren
Druckes nach vorn in ein Gebiet niedrigeren Druckes
zu bewegen. Fig. 4 zeigt diese Luftbewegung durch ei
nen Pfeil 70.
Die alternativen Ausführungsformen für die Konfigu
rationen der Vertiefung 72, die oben beschrieben sind,
gelten gleichermaßen für die Vertiefung 90. Verdichter
können mit Vertiefungen 72 nur in dem äußeren Gehäuse
22, mit Vertiefungen 90 nur in der inneren Wand 26 oder
mit Vertiefungen in beiden Gehäusewänden 22, 26 mit
entweder denselben oder unterschiedlichen Konfigura
tionen versehen werden.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Im
Prinzip kann jede geometrische Konfiguration einer
nach hinten weisenden Wand, die die Vorwärtsströmung
aus dem Spitzenspaltwirbel blockiert und eine gute
Ablösung der Grenzschichtluft gestattet, sowie jede geo
metrische Konfiguration einer nach vorn weisenden Wand
oder von nach vorn weisenden Wänden verwendet werden, die einen glatten
Übergang in die Strömungsbahn 20 ergeben.
Der Verdichterabschnitt 10, der in Fig. 1 gezeigt
ist, soll die Beziehung zwischen einer relativ drehba
ren Schaufel, einer relativ festen Schaufel, einer ra
dial angeordneten Oberfläche und der Vertiefung in
dieser Oberfläche veranschaulichen. Die Strömungsbahn
20 und die Strömungsbahnoberflächen des äußeren Gehäu
ses und der inneren Wand sind auf die Triebwerksmit
tellinie 16 axial ausgerichtet. In vielen Fällen kön
nen diese Oberflächen und Strömungswege jedoch in be
zug auf die Triebwerksmittellinie geneigt sein. Die
hier verwendeten Begriffe "axial" und "axial gerich
tet" definieren daher eine Richtung, die zu der Trieb
werksmittellinie, der Strömungsbahn oder einer Strömungs
bahnoberfläche im wesentlichen parallel ist.
Claims (3)
1. Axialverdichter für eine Turbomaschine mit einem Kranz
erster Schaufeln, die relativ zu einer radialen Oberfläche
drehbar sind, und einem Kranz zweiter Schaufeln, die
stromabwärts von den ersten Schaufeln angeordnet und in
bezug auf die radiale Oberfläche stationär sind, und mit
einer sich in der radialen Oberfläche in Umfangsrichtung
erstreckenden Vertiefung, die in bezug auf die ersten und
zweiten Schaufeln radial angeordnet ist und einen Spalt
zwischen den ersten Schaufeln und der radialen Oberfläche
bildet, wobei die Vertiefung eine stromaufwärts gerichtete
Wand und eine axial gerichtete Wand und eine stromabwärts
gerichtete Wand aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu
der radialen Oberfläche verläuft zur Bildung einer Barriere
für eine stromabwärts gerichtete Strömung in dem Spalt,
dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichtete
Wand (76; 96) der Vertiefung (72; 90) schräg angeordnet ist
zur Bildung eines aerodynamisch glatten Übergangs von der
Vertiefung (72; 90) in die Strömungsbahn.
2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die stromaufwärts gerichtete Wand (76; 96) der
Vertiefung (72; 90) einen Winkel (α) von weniger als 10° in
bezug auf die radiale Oberfläche (24; 28) bildet.
3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die axial gerichtete Wand (78; 94) der
Vertiefung (72; 90) deren stromabwärts gerichtete Wand
(74; 92) an einem Punkt (82; 102) stromaufwärts von den
ersten Schaufeln (18) und die stromabwärts gerichtete Wand
(76; 96) an einem Punkt (84; 104) stromabwärts von den ersten
Schaufeln (18) schneidet.
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