DE3503423C2 - Axialverdichter - Google Patents

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.