DE3503423C2 - Axialverdichter - Google Patents
AxialverdichterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Axialverdichter ist aus der
US-PS 42 38 170 bekannt.
Aufgrund der steigenden Brennstoffpreise während der 70-Jahre
haben Konstrukteure von Flugzeugtriebwerken versucht, den
Wirkungsgrad ihres Produktes zu verbessern. Ein Bereich des
Gasturbinentriebwerkes, der untersucht worden ist, ist der
Verdichter. Der Verdichter besteht aus einer Anzahl von mit
Schaufeln versehenen Verdichterscheiben, die mit hoher Dreh
zahl umlaufen und den Druck einer durch den Verdichter strö
menden Luftströmung erhöhen. Die aus dem Verdichter austre
tende Hochdruckluft wird mit Brennstoff gemischt und in einem
Brenner verbrannt. Die Abgase werden dann durch ein Turbinen
rad expandiert, wo der Strömung Arbeit entnommen wird.
Die Luftströmung durch den Verdichter kann in zwei große Be
reiche geteilt werden - den Endwandströmungsbereich nahe so
wohl dem Gehäuse als auch der Nabe, wo viskose Grenzschicht
effekte und Schaufelspitzeneffekte dominieren, und den Mit
telströmungsbereich im Mittelteil des Verdichters, wo die
vorgenannten Effekte klein oder nachlässigbar sind. Rund 50%
des gesamten Verdichterverlustes tritt in dem Endwandbereich
auf.
Eine Größe, die zu diesem Verlust beiträgt, wodurch der Wir
kungsgrad des Verdichters gesenkt wird, wird durch den Spalt
hervorgerufen, der normalerweise zwischen dem Ende einer Ver
dichterschaufel und dem umgebenden Gehäuse in dem Endwandbe
reich vorhanden ist. Luft, die durch die umlaufenden Schau
feln verdichtet wird, hat eine Tendenz, über die Schaufelspitze
durch diesen Spalt hindurch zurückzuströmen oder zu lecken,
wodurch ein Spitzenspaltwirbel entsteht. Dieser Wirbel tritt
mit der Grenzschicht der Gehäusewand in Wechselwirkung und
erzeugt einen Spitzenverlust.
Der übliche Weg zum Steuern dieser Leckage bestand darin,
den Spalt bzw. den Spielraum zwischen der Schaufelspitze und
dem umgebenden Gehäuse möglichst klein zu machen. Jedoch
wachsen sowohl das Verdichtergehäuse als auch die Verdich
terschaufel in radialer Richtung während der Betriebsperioden
des Triebwerks. Um eine Berührung zwischen den Schaufeln und
dem Gehäuse zu verhindern, muß ein ausreichender Spielraum
während des normalen Betriebs des Triebwerks vorhanden sein,
um ein unterschiedliches Wachstum während transienter Be
triebsbedingungen zu gestatten. Eine andere Lösung besteht darin,
Reibstellen vorzusehen, indem entweder ein Reibband in dem
Gehäuse oder eine Reibspitze auf der Rotorschaufel vorge
sehen ist, um einen gewissen Grad eines gesteuerten Abriebs
zu gestatten.
Gemäß der eingangs genannten US-PS 42 38 170 besteht eine
andere Möglichkeit zum Verkleinern der Leckage über den
Schaufelspitzen, eine Vertiefung in der Wand
des Gehäuses auszubilden und die Rotorschaufel bis nahezu
Linie-auf-Linie mit der ursprünglichen Gehäusewand zu ver
längern. Derartige Vertiefungen können die Rotorschaufel
spitze während gewisser oder aller Betriebsperioden des Trieb
werks aufnehmen. Der Übergangsbereich vom Verdichtergehäuse
zur Vertiefung ist üblicherweise eine abrupte Änderung von
der glatten Gehäusewand. Diese abrupten Übergangsbereiche
treten sowohl an dem vorderen (stromaufwärtigen) als auch dem
hinteren (stromabwärtigen) Ende der
Vertiefung auf. Beipsielsweise sind Rinnen mit rechtwinkli
gem Querschnitt bekannt, wobei die Übergangsbereiche durch
rechte Winkel gebildet sind. Testergebnisse zeigen, daß der
artige Rinnen bestenfalls für eine minimale Verbesserung im
Wirkungsgrad sorgen und unter gewissen Bedingungen tatsäch
lich die Leistung 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 ist eine Ansicht von einem Teil eines Verdichters
eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Ausführungs
beispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Detailansicht einer Verdichterrotorschaufel
und des benachbarten Gehäuses, wie es in Fig. 1 ge
zeigt ist.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der
Linie 3-3 in Fig. 1.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der
Linie 4-4 in Fig. 1.
Fig. 5 ist eine Detailansicht von einer Verdichterstatorschau
fel und einer benachbarten Innenwand, wie sie in
Fig. 1 gezeigt ist.
Die Erfindung kann in dem Axialverdichter irgendeiner
Turbomaschine angewendet werden. Zu Darstellungszwecken wird
die Erfindung anhand eines Gasturbinentriebwerks beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Verdichterabschnitts 10 eines
Gasturbinentriebwerks mit einem Rotorkranz 12 und einem Sta
torkranz 14. Der Rotorkranz 12 weist mehrere Schaufeln 18 auf,
die um eine Triebwerksmittellinie 16 drehbar sind. Der Stator
kranz 14 weist mehrere Schaufeln 19 auf, die in bezug zur Mit
tellinie 16 feststehend sind. Eine Strömungsbahn 20 für Luft
bewegt sich in axialer Richtung durch den Verdichterabschnitt.
Die Strömungsbahn ist durch ein äußeres Gehäuse 22 mit einer
radial nach innen gerichteten Oberfläche 24 und einer Innen
wand 26 mit einer radial nach außen gerichteten Oberfläche 28
begrenzt. Jede Rotorschaufel 18 weist ein radial äußeres Ende
oder eine Schaufelspitze 30 auf. Das äußere Gehäuse 22 umgibt
in Umfangsrichtung jeden Rotorkranz 22. Zwischen der umlaufenden
Schaufelspitze 30 und dem feststehenden Außengehäuse 22 muß
ein Spielraum 50 beibehalten werden, um eine Reibwirkung da
zwischen zu verhindern.
Jede Schaufel 18 ist relativ drehbar in bezug auf die radial
angeordnete Oberfläche 24, wie die Schaufel 19 relativ drehbar
ist in bezug auf die radial angeordnet Oberfläche 28. Weiter
hin ist die Schaufel 19 feststehend in bezug auf die Ober
fläche 24, und die Schaufel 18 ist feststehend in bezug auf
die Oberfläche 28.
Wenn die Schaufeln 18 um die Mittellinie 16 umlaufen, wird Luft
in der Strömungsbahn 20 im allgemeinen nach hinten (stromabwärts) bewegt.
Gleichzeitig wird Luft verdichtet, wenn sie über jeden Rotor
kranz 12 strömt, wodurch ihr Druck vergrößert wird. Infolge
dessen wird ein Bereich 32 mit relativ höherem Druck hinter
dem Rotorkranz 12 in Bezug auf einen Bereich 34 mit nie
drigerem Druck vor dem Kranz 12 ausgebildet. Wie in Fig. 3
gezeigt ist, weist jede Schaufel 18, die in der durch den
Pfeil 52 angegebenen Richtung umläuft, eine Druckfläche 54
und eine Saugfläche 56 auf. Der Druck auf die Ober
fläche 54 ist größer als derjenige auf der Oberfläche 56. Die
Tendenz der einen höheren Druck aufweisenden Luft, durch den
Spalt 50, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, in den Bereich eines
niedrigeren Drucks zu strömen, wie es durch den Pfeil 58 in
Fig. 3 gezeigt ist, trägt zu Verlusten in der Form eines
Spitzenspaltwirbels bei, der nahe dem radial äußeren Ende der
Spitze 30 der Schaufel 18 gebildet wird.
Zu dem Verlustproblem trägt die Tatsache bei, daß die Grenz
schichtluft nahe der radial nach innen gerichteten Oberfläche
24 sich im allgemeinen in der Richtung nach hinten (stromabwärts) bewegt
und mit der Luft in Wechselwirkung tritt, die durch den Spit
zenspalt 50 nach vorne (stromaufwärts) zu strömen versucht. Es wird ange
nommen, daß durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
die Vorwärtsbewegung der Spitzen
spaltströmung gehemmt wird, während ein unbeeinträchtiger
Durchtritt der sich nach hinten bewegenden Hauptströmung ge
stattet wird.
Fig. 2 zeigt eine Rotorschaufel 18 und ein Außengehäuse 22
gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Außen
gehäuse 22 ist eine Vertiefung 38 angeordnet, die in Unfangs
richtung die Schaufelspitze 30 umgibt. Die Vertiefung 38 ist
durch erste und zweite sich schneidende Wände 40 bzw. 42 gebildet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Wand 40
im wesentlichen stromabwärts gerichtet und steht im wesentlichen
senkrecht auf der nach innen gerichteten Oberfläche 24. Die
zweite Wand 42 ist im wesentlichen stromaufwärts gerichtet und
bildet eine glatte Kurve zwischen der Schnittstelle 44 mit
der ersten Wand 40 und der Schnittstelle 46 mit der Ober
fläche 24.
Der in Fig. 2 gezeigte Aufbau soll eine abrupte Änderung von
der Gehäuseoberfläche 24 zur ersten Wand 40 an ihrer Schnitt
stelle 48 und einen nicht abrupten oder relativ glatten Über
gang von der zweiten Wand 42 zur Gehäuseoberfläche 24 an der
Schnittstelle 46 hervorrufen. Es wird angenommen, daß der ab
rupte Übergang an der Schnittstelle 48 für eine gute Ablösung
der nach hinten strömenden Grenzschichtluft von der Oberfläche
24 sorgt, während gleichzeitig ein Damm oder Staukörper in der Form der
Wand 40 ausgebildet wird, um die Vorwärtsströmung von dem
Spitzenspaltwirbel auf ein Minimum zu senken. Es wird ferner
angenommen, daß der nicht abrupte Übergang von der zweiten
Wand 42 zur Oberfläche 24 an der Schnittstelle 46 einen aero
dynamisch glatten Übergang oder eine Luftströmung gestattet,
die von der Vertiefung 38 in die Strömungsbahn strömt.
Es sind selbstverständlich viele verschiedenartige Konfigura
tionen der Vertiefung 38 möglich, um diese Bedingungen zu er
füllen. Beispielsweise kann die zweite Wand 42 verschiedene
relativ glatte Oberflächen bilden, die einen nicht abrupten
Übergang in die Oberfläche 24 an der Schnittstelle 46 bilden.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die
Wand 42 eine Kurve, die eine im wesentlichen gerade Linie ist,
die an der Schnittstelle einen Winkel α mit der Gehäuseober
fläche 24 bildet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Winkel α im allgemeinen kleiner als oder gleich 10°.
Der Winkel α hängt jedoch von der Länge 51 der Vertiefung 38,
gemessen von der Schnittstelle 48 zur Schnittstelle 46, der
Tiefe 53 der Vertiefung 38 und der geometrischen Form oder Wand 42 ab.
Die Schaufelspitze 30 kann so geformt sein, daß sie geometrisch
ähnlich der Kurve ist, die durch die zweite Wand 42 gebildet
ist. Beispielsweise bildet in dem in Fig. 2 gezeigten Aus
führungsbeispiel die Spitze 30 eine gerade Linie im wesent
lichen parallel zur Wand 42. Somit ist jeder Punkt auf dieser
Kontur im wesentlichen in dem gleichen radialen Abstand zur
Wand 42.
Die radiale und axiale Lage der Schaufelspitze 30 relativ zur
Vertiefung 38 ändert sich während des Triebwerksbetriebs, da
sich die Schaufel 18 biegt, elastisch verformt aufgrund der
Zentrifugalkraft oder ein unterschiedliches thermisches Wachs
tum erfährt in bezug auf das Gehäuse 22. Fig. 2 zeigt ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem die Schaufelspitze
30 während des stationären Betriebs relativ zur Vertiefung 38
angeordnet ist. Die kritischen Abmessungen in diesem Betriebs
zustand sind der axiale Abstand 49 zwischen der Schaufel 18
und der ersten Wand 40 und der radiale Abstand oder der Spit
zenspalt 50 zwischen der Spitze 30 und der zweiten Wand 42.
Der Abstand 49 hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich
des Materials und der Geometrie der Schaufel ab. In einem be
vorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Abstand 49 in der Grö
ßenordnung von 10% des Schaufelumfangsabstandes. Der Abstand
50 ist ebenfalls eine Funktion des Materials und der Geometrie
der Schaufel. Im allgemeinen ist dieser Abstand so ausgelegt,
daß ein unterschiedliches Wachstum während transienter Betriebs
bedingungen des Triebwerks gestattet ist. Gemäß einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand etwa 0,10%
des Durchmessers des Rotorkranzes 12.
Die Abstände 49 und 50 können in Abhängigkeit von dem jeweili
gen Anwendungsfall variieren. Weiterhin kann erfindungsgemäß
eine abreibbare Verkleidung für die Wände 42 oder 40 der Ver
tiefung 38 und/oder eine abreibbare Spitze auf der Schaufel
18 verwendet werden. In jedem dieser Fälle können die Abstän
de 50 und/oder 49 in bekannter Weise variieren.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das insbesondere in
Fig. 5 gezeigt ist, ist die Vertiefung 60 in der ra
dial nach außen gerichteten Oberfläche 28 der Innenwand 26
angeordnet und relativ zum Statorkranz 14 radial versetzt.
Wie bei der Gehäusevertiefung 38 ist die Vertiefung 60 durch
erste und zweite sich schneidende Wände 62 und 64 gebildet.
Die Wand 62 ist im wesentlichen stromabwärts gerichtet und bildet eine
abrupte Änderung von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle
66. Die Wand 64 ist im wesentlichen stromaufwärts gerichtet und
bildet eine relativ nicht-abrupte Änderung von der Oberfläche
28 an ihrer Schnittstelle 68.
Obwohl sich der Statorkranz 14 nicht bewegt, ist seine Relation
zur Innenwand 26 ähnlich der Relation zwischen dem Rotorkranz
12 und dem Außengehäuse 23. Jede weist eine Anzahl Schaufeln
auf, die relativ drehbar sind in bezug auf eine radial ange
ordnete Oberfläche. Ferner erfährt durch jeden Kranz nach hin
ten strömende Luft einen Druckanstieg. Infolgedessen hat die
Luft die Tendenz, sich nach vorn über die Schaufelspitze von
einem Bereich eines höheren Druckes zu einem Bereich eines nie
drigeren Druckes zu bewegen. Fig. 4 zeigt eine derartige Luft
bewegung durch den Pfeil 70.
Alternative Ausführungsbeispiele für Konfigurationen der Ver
tiefung 38, wie sie vorstehend beschrieben wurden, gelten in
gleicher Weise für die Vertiefung 60. Verdichter können mit
Vertiefungen 38 nur in dem Außengehäuse 22, mit Vertiefungen
60 nur in der Innenwand 26 oder mit Vertiefungen sowohl im
Gehäuse 22 als auch der Wand 26 mit entweder gleichen oder un
terschiedlichen Konfigurationen aufgebaut werden.
Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich; im Prinzip
kann jede geometrische Konfiguration der nach hinten
gerichteten Wand, die eine Vorwärtsströmung von dem Spitzen
spaltwirbel hemmt und eine gute Trennung der Grenzschichtluft
gestattet, und jede geometrische Konfiguration einer nach vorne
gerichteten Wand oder Wände verwendet werden, die für einen
glatten Übergang in die Strömungsbahn 20 sorgen.
Ferner soll der Verdichterabschnitt 10, wie er in Fig. 1 ge
zeigt ist, die Relation zwischen einer relativ drehbaren Schau
fel und einer radial angeordneten Oberfläche und die Vertie
fung in dieser Oberfläche darstellen. Die Strömungsbahn 20
und die Strömungsbahnoberflächen des Außengehäuses und der
Innenwand sind axial mit der Triebwerksmittellinien 16 ausge
richtet. In vielen Anwendungsfällen können diese Oberflächen
und Strömungsbahnen jedoch in bezug auf die Triebwerksmittel
linie geneigt sein. Deshalb definieren die hier verwendeten
Begriffe "axial" und "axial gerichtet" eine Richtung im wesent
lichen parallel zu einer der folgenden: Der Triebwerksmittel
linie, der Strömungsbahn oder einer Strömungsbahnoberfläche.
Claims (3)
1. Axialverdichter mit einem Laufrad und einem ringförmigen
Gehäuse, die dazwischen eine Strömungsbahn begrenzen, und
mit mehreren in der Strömungsbahn radial angeordneten
Schaufelkränzen, von denen wenigstens einer von einer
gegenüberliegenden ringförmigen Vertiefung umgeben ist, die
in der Oberfläche von dem Laufrad und/oder dem Gehäuse
ausgebildet ist und die eine stromaufwärtige Wand senkrecht
zur Gehäuseoberfläche aufweist, die einen Damm bzw.
Staukörper gegenüber einer stromaufwärtigen Gasströmung von
einem Bereich höheren Druckes in einen Bereich niedrigeren
Druckes bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (38; 60) allein
durch die erste und eine zweite Wand (40, 42; 62, 64), die
sich schneiden, gebildet ist, wobei die zweite Wand
(42; 64) einen aerodynamisch glatten Übergang von der
Vertiefung (38; 60) in die Strömungsbahn (20) bildet.
2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zweite Wand (42; 64) eine gerade Linie bildet,
die mit der Gehäuseoberfläche (24) einen Schnittwinkel von
weniger als 10° einschließt.
3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Form der Spitze von jeder Schaufel (18) der
Form der Vertiefung (38; 60) ähnlich ist derart, daß der radiale
Abstand zwischen allen geometrisch entsprechenden Punkten auf
der Schaufelspitze und in der Vertiefung (38; 60) im wesentlichen
der gleiche ist.
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