DE69515624T2 - Compressorgehäuse mit Rezirkulationskanälen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Spitzenkranzanordnungen von Axialströmungs- Gasturbinenmaschinen-Verdichtern und insbesondere solche Kränze die Luft an den Strömungsprofilspitzen in den Verdichter rezirkulieren, um die Wahrscheinlichkeit eines Verdichterströmungsabrisses zu verringern.
• Bei einer Axialströmungsgasturbinenmaschine, beispielsweise dem Typ, wie er bei Flugzeugen verwendet wird, wird Luft in einem Verdichterabschnitt komprimiert, mit Kraftstoff vermischt, in einem Brennkammerabschnitt verbrannt und durch einen Turbinenabschnitt expandiert, der, über eine oder mehrere Wellen, den Verdichterabschnitt antreibt. Der Gesamtwirkungsgrad derartiger Maschinen ist neben anderen Faktoren eine Funktion der Effizienz, mit der der Verdichterabschnitt die Luft komprimiert. Der Verdichterabschnitt beinhaltet typischerweise einen Niederdruckverdichter, der von einer Welle angetrieben wird, die mit einer Niederdruckturbine in dem Turbinenabschnitt verbunden ist, und einen Hochdruckverdichter, der von einer Welle angetrieben wird, die mit einer Hochdruckturbine in dem Turbinenabschnitt verbunden ist. Der Hoch- und Niederdruckverdichter weisen jeweils einige Stufen von Verdichterlaufschaufeln auf, die um die Längsachse 100 der Maschine rotieren, wie in Fig. 1 gezeigt. Jede Laufschaufel 10 hat ein Strömungsprofil 12, welches sich von einer Laufschaufelplattform 14 erstreckt und in einer Blattspitze 16 endet, und die Laufschaufelspitzen 16 rotieren in enger Nähe zu einer äußeren Luftdichtung 18 oder "Spitzenkranz". Der Spitzenkranz 18 erstreckt sich umfangsmäßig um die Laufschaufelspitzen 16 einer vorgegebenen Stufe, und die Laufschaufelplattformen 14 und der Spitzenkranz 18 definieren die radial innere bzw. radial äußere Begrenzung des Luftströmungsgaswegs durch den Verdichter.
• Die Stufen sind in Serie angeordnet und, wenn Luft durch die einzelnen Stufen gepumpt wird, erfährt die Luft einen inkrementalen Druckanstieg. Der Gesamtdruckanstieg durch den Verdichter ist die Summe der inkrementalen Druckanstiege über jede Stufe, bereinigt von sämtlichen Strömungsverlusten. Deshalb wäre es wünschenswert, um die Effizienz einer Gasturbinenmaschine zu maximieren, den Druckanstieg (nachfolgend als "Druckverhältnis" bezeichnet) über jede Stufe des Verdichters bei einer vorgegebenen Kraftstoffströmung zu maximieren.
• Ungünstigerweise ist eines der Probleme, mit dem Konstrukteure von Axialströmungsgasturbinenmaschinen konfrontiert sind, ein Zustand, der als Verdichterströmungsabriß bekannt ist. Verdichterströmungsabriß ist ein Zustand, bei dem die Luftströmung durch einen Teil einer Verdichterstufe aufhört, weil die Energie, die auf die Luft durch die Laufschaufeln der Verdichterstufe übertragen wird, nicht ausreicht, das Druckverhältnis über die Verdichterstufe zu überwinden. Wenn keine korrektive Handlung vorgenommen wird, kann der Verdichterströmungsabriß durch die Verdichterstufe fortschreiten und der Brennkammereinrichtung eine ausreichende Luftzufuhr zum Beibehalten der Triebwerksdrehzahl unterbinden. Unter manchen Umständen kann die Luftströmung durch den Verdichter tatsächlich ihre Richtung umkehren, zu etwas, das als Verdichterpumpen bekannt ist. Verdichterströmungsabrisse und -pumpen bei Flugzeugkraftanlagen sind Triebwerksanomalitäten, die, falls sie nicht korrigiert werden, zu einem Verlust des Flugzeugs und sämtlicher Insassen führen können.
• Verdichterströmungsabrisse in dem Hochdruckverdichter sind für die Triebwerkskonstrukteure von großer Bedeutung und, obwohl Verdichterströmungsabrisse an einigen Stellen innerhalb einer vorgegebenen Stufe eines Verdichters beginnen können, ist es üblich, daß Verdichterströmungsabrisse von den Laufschaufelspitzen her fortschreiten, wo die Wirbel auftreten. Man glaubt, daß der Axialimpuls der Luftströmung an den Laufschaufelspitzen tendentiell niedriger ist als an anderen Stellen entlang des Strömungsprofils. Aus der vorangehenden Diskussion sollte man erkennen, daß man von einem derartigen niedrigeren Impuls möglicherweise erwarten kann, daß dieser einen Verdichterströmungsabriß auslöst.
• Mit dem Ansammeln von Betriebsstunden durch eine Flugzeug- Gasturbinenmaschine verschleissen die Laufschaufelspitzen tendentiell den Spitzenkranz und erhöhen das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Spitzenkranz. Der Fachmann wird erkennen, daß die Wirbel größer werden, wenn das Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und dem Spitzenkranz zunimmt, was zu einem größeren Prozentsatz der Luftströmung mit dem niedrigeren axialen Impuls führt, wie vorangehend beschrieben. Folglich haben sich die Triebwerkskonstrukteure darum bemüht, das Problem des verringerten axialen Moments an den Laufschaufelspitzen von Hochdruck-Verdichtern zu verringern.
• Eine effektive Anordnung zum Behandeln von Spitzenkränzen, um den Hochdruckverdichter eines Triebwerks gegen übermäßiges Spiel zwischen den Laufschaufelspitzen und den Spitzenkränzen zu desensibilisieren, ist in dem US-Patent 5,282,718 gezeigt und beschrieben, das am 4. Februar 1994 Koff et al erteilt wurde und das hierein durch Bezugnahme aufgenommen wird. In der Praxis ist die Spitzenkranzanordnung, die in dem US-Patent 5,282,718 beschrieben ist, aus einem inneren Ring 20 und einem äußeren Ring 22 gebildet, wie in der Fig. 2 gezeigt. Bei der Hochdruckverdichteranwendung werden die Ringe 20, 22 anfänglich geschmiedet und hunderte von kleinen, komplizierten Leitschaufeln 24 werden an einen der Ringe 20, 22 bearbeitet, um die Luftströmung zu lenken und die Wirkungsgradeinbußen zu minimieren. Der innere Ring 20 und der äußere Ring 22 werden dann unterteilt, und der innere Ring 20 wird an dem äußeren Ring 22 durch die Verwendung von Befestigungselementen 26, beispielsweise Schrauben, Nieten, Schweißen oder eine Kombination daraus befestigt. Unglücklicherweise hat die Erfahrung gezeigt, daß die Spitzenkranzanordnung des Stands der Technik zwar effektiv ist, aber kostenaufwendig ist, infolge der großen Menge an Zeit, die zum Bearbeiten der Laufschaufeln 24 benötigt wird.
• Benötigt wird eine Spitzenkranzanordnung, die einige der Vorteile gegen Strömungsabriß des Stands der Technik schafft bei vergleichbaren Effizienzeinbussen und dennoch eine beträchtliche Verringerung in den Herstellungskosten verglichen mit dem Stand der Technik liefert.
• Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Spitzenkranzanordnung bereitzustellen, welche die Vorteile der Spitzenkränze des Stands der Technik liefert und dennoch eine signifikante Verringerung bei den Herstellungskosten liefert, und dabei die Wartungsfreundlichkeit und die Sicherheit verglichen mit dem Stand der Technik erhöht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Spitzenkranzanordnungs beschrieben, die einen unterteilten ringförmigen Kranz aufweist, wobei jedes Segment ein erstes gekrümmtes Element mit einer ersten radial inneren Oberfläche und einem sich umfangsmäßig erstreckenden Kanal, der sich davon radial nach außen erstreckt, und ein zweites gekrümmtes Element, welches in dem Kanal in einer beabstandeten Relation zu dem ersten gekrümmten Element aufgenommen ist und so eine sich umfangsmäßig erstreckende Passage dazwischen definiert, und eine Mehrzahl von Leitelementen aufweist, die in der Passage angeordnet sind, wobei sich jedes Leitelement von dem ersten gekrümmten Element zu dem zweiten gekrümmten Element erstreckt, wobei die Anzahl von Leitelementen eine Größe im Bereich von zwanzig bis vierzig ist.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
• Fig. 1 ist eine Ansicht einer Verdichterlaufschaufel und eines Spitzenkranzes des Stands der Technik.
• Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Spitzenkranzes des in dem US-Patent 5,282,718 beschriebenen Typs.
• Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Spitzenkranzes der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Spitzenkranzes der vorliegenden Erfindung, genommen entlang der Linie 4-4 von Fig. 3.
• Wie in der Fig. 3 gezeigt, weist eine bevorzugte Spitzenkranzanordnung 30 der vorliegenden Erfindung einen ringförmigen Kranz 32 auf, der sich umfangsmäßig um eine Bezugsachse 34 erstreckt, die, sobald die Anordnung 30 einer Maschine angeordnet ist, die Längsachse 100 der Maschine definiert. Der ringförmige Kranz 32 besteht aus einer Mehrzahl gekrümmter Kranzsegmente 36, ein Teil von einer davon ist in der Fig. 4 gezeigt, und jedes Segment hat eine Länge und die Summen der Längen definieren den Umfang des ringförmigen Kranzes 32. Jedes Segment 36 beinhaltet ein erstes gekrümmtes Element 38 und ein zweites gekrümmtes Element 40. Das erste gekrümmte Element 38 hat eine erste radial innere Fläche 42 und einen sich umfangsmäßig erstreckenden Kanal 44, der sich radial davon nach außen über die gesamte Länge des Segments 36 erstreckt. Der Kanal 44 weist eine erste Wand 46, eine zweite Wand 48 und eine radial äußere Kanalwand 50 auf. Die radial äußere Kanalwand 50 verbindet die erste Wand 46 mit der zweiten Wand 48, und wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die erste Wand 46 der zweiten Wand 48 gegenüber angeordnet.
• Wie in der Fig. 3 gezeigt, hat das zweite gekrümmte Element 40 eine zweite radial innere Fläche 52 und eine dritte Wand 54 und eine vierte Wand 56, die sich radial davon nach außen erstrecken, und eine radial äußere Elementwand 58, welche die dritte Wand 54 mit der vierten Wand 56 verbindet. Das zweite gekrümmte Element 40 ist in dem Kanal 44 in einer beabstandeten Relation zu dem ersten gekrümmten Element 38 aufgenommen und definiert so eine sich umfangsmäßig erstreckende Passage 60 dazwischen. Die dritte Wand 54 ist der ersten Wand 46 und die vierte Wand 56 ist der zweiten Wand 48 gegenüberliegend.
• Jede der radial inneren Oberflächen 42, 52 ist auf die Bezugsachse 54 gerichtet und definiert vorzugsweise Abschnitte eines Zylinders oder Kegels. Jedes Kranzsegment 36 weist eine Mehrzahl von Leitelementen 62 auf, und wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, ist jedes Leitelement 62 in der Passage 60 angeordnet. Jedes Leitelement 62 erstreckt sich von der radial äußeren Elementwand 58 bezogen auf die Achse 34 radial nach außen zu der radial äußeren Kanalwand 50. Jedes Leitelement 62 ist an dem ersten und den zweiten gekrümmten Element 38, 40 mit einem der Verfahren aus dem Stand der Technik, beispielsweise Schrauben, Nieten, Schweißen etc., befestigt und verhindert so eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten gekrümmten Element 38, 40. Jedes Leitelement 62 endet kurz vor der ersten und der zweiten Wand 46, 48, so daß sich das Leitelement 62 nicht zwischen den radial inneren Flächen 42, 52 der gekrümmten Elemente 38, 40 erstreckt. Eine Lage 64 aus abradierbarem Material eines in der Technik bekannten Typs ist an den radial inneren Flächen 42, 52 des ersten und zweiten gekrümmten Elements 38, 40 angebracht, wie es für die spezielle Maschinenanwendung benötigt wird. Das abradierbare Material erstreckt sich von den radial inneren Flächen 42, 52 radial nach innen, und die Lage 64 hat einen oder mehrere ringförmige Kanäle darinnen, von denen jeder radial innerhalb von der Passage 60 angeordnet ist und mit dieser in Verbindung steht.
• Die Leitelemente 62 der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich von den Strömungsleitelementen des Stands der Technik dadurch, daß sie, obwohl sie eine strukturelle Befestigung schaffen, von einem aerodynamischen Standpunkt her lediglich die Wirbel in der durch die Passage strömenden Luft aufbrechen. Folglich werden nicht mehr als vierzig Elemente generell benötigt, aber aus strukturellen Gründen sind mindestens zwanzig Leitelemente bevorzugt. Die Verwendung der Leitelemente 62 in der vorliegenden Erfindung reduziert die Herstellungskosten gegenüber denen des Stands der Technik und macht sie ökonomisch wettbewerbsfähig mit modernen unbehandelten Kränzen, während sie gleichzeitig einen Schutz gegen Verdichterströmungsabriß bei Wirkungsgradeinbußen bieten, die mit denen des Stands der Technik vergleichbar sind.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Leitelemente 62 von dem ersten und dem zweiten gekrümmten Element 38, 40 separat und mit diesen verbunden. Sie sind generell gerade und erstrecken sich generell axial zu der Kranzanordnung 30.
• Obwohl die Erfindung bezogen auf detaillierte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß verschiedene Änderungen in deren Form und Detail vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der beanspruchten Erfindung abzugehen.

Claims (6)

1. Spitzenkranzanordnung (30) aufweisend einen unterteilten ringförmigen Kranz (32), wobei jedes Segment ein erstes gekrümmtes Element (38) mit einer ersten radial inneren Oberfläche (42) und einem sich umfangsmäßig erstreckenden Kanal (44), der sich davon radial nach außen erstreckt, und ein zweites gekrümmtes Element (40), welches in dem Kanal in einer beabstandeten Relation zu dem ersten gekrümmten Element aufgenommen ist und so eine sich umfangsmäßig erstreckende Passage (60) dazwischen definiert, und eine Mehrzahl von Leitelementen (62) aufweist, die in der Passage angeordnet sind, wobei sich jedes Leitelement von dem ersten gekrümmten Element zu dem zweiten gekrümmten Element erstreckt, wobei die Anzahl von Leitelementen (60) eine Größe im Bereich von zwanzig bis vierzig ist.

2. Spitzenkranzanordnung (30) für eine Axialströmungsgasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei der ringförmige Kranz (32) sich umfangsmäßig um eine Referenzachse (34) erstreckt, wobei der Kranz eine Mehrzahl von gekrümmten Segmenten (36) aufweist, wobei jedes Segment eine Länge hat und die Summe der Längen den Umfang des ringförmigen Kranzes definiert, wobei sich der sich umfangsmäßig erstreckende Kanal (44) radial außerhalb von der ersten radial inneren Oberfläche (42) des ersten gekrümmten Elements (38) über die Länge des Segments erstreckt, wobei der Kanal eine erste Wand (46) und eine, zweite Wand (48) aufweist, wobei die erste Wand (46) der zweiten Wand (48) gegenüberliegt, wobei das zweite gekrümmte Element (40) eine zweite radial innere Oberfläche (52) und eine dritte Wand (54) und eine vierte Wand (56), die sich davon nach außen erstrecken, und eine radial äußere Elementwand (58) aufweist, welche die dritte Wand (54) mit der vierten Wand (56) verbindet, wobei die dritte Wand (54) der ersten Wand (46) und die vierte Wand (56) der zweiten Wand (48) gegenüberliegen, und wobei sich jedes Leitelement (62) von der radial äußeren Elementwand (58) bezogen auf die Achse radial nach außen zu der radial äußeren Kanalwand (50) erstreckt, wobei jedes Leitelement (62) an dem ersten und dem zweiten gekrümmten Element (38, 40) befestigt ist und so eine Relativbewegung dazwischen verhindert, wobei das Leitelement kurz vor der ersten und der zweiten Wand (46, 48) endet.

3. Spitzenkranzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend eine Lage aus abradierbaren Material (64), die an den radial inneren Flächen (42, 52) des ersten und zweiten gekrümmten Elements (38, 40) festgemacht ist und sich davon radial nach innen erstreckt, wobei die Lage einen ringförmigen Kanal (66) aufweist, der sich über das gesamte Segment erstreckt.

4. Spitzenkranzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitelemente (62) von dem ersten und dem zweiten gekrümmten Bauteil (38, 40) separat sind.

5. Spitzenkranzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitelemente (62) generell gerade sind.

6. Spitzenkranzanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Leitelemente (62) generell axial zu der Spitzenkranzanordnung (30) angeordnet sind.