EP1478828B1 - Rezirkulationsstruktur für turboverdichter - Google Patents

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EP1478828B1
EP1478828B1 EP03718608A EP03718608A EP1478828B1 EP 1478828 B1 EP1478828 B1 EP 1478828B1 EP 03718608 A EP03718608 A EP 03718608A EP 03718608 A EP03718608 A EP 03718608A EP 1478828 B1 EP1478828 B1 EP 1478828B1
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EP
European Patent Office
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guide elements
annular chamber
recirculation
recirculation structure
area
Prior art date
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EP03718608A
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Peter Seitz
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Publication of EP1478828B1 publication Critical patent/EP1478828B1/de
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/545—Ducts
    • F04D29/547—Ducts having a special shape in order to influence fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
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    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/914—Device to control boundary layer

Definitions

  • the invention relates to a recirculation structure for turbocompressors, according to the preamble of claim 1, as well as an aircraft engine and a stationary gas turbine.
  • Document US 3,620,640 A protects a shroud with a recirculation structure for a propeller or fan.
  • the recirculation structure comprises a ring chamber (toroidal cavity 2) which is circular in cross-section and in which profiled partitions 5 can be arranged.
  • the adjacent to the main flow channel side of the annular chamber (2) is open over its axial length and over its circumference to the main flow channel.
  • the axial center of the annular chamber (2) coincides relatively accurately with the axial center of the propeller blades (propeller blades 3) with the open side of the annular chamber extending upstream and downstream of the blades (3).
  • the guide elements (5) reach only at their downstream, rear end to the contour of the main flow channel, ie to the inner contour of the shell (shroud 1), zoom. In the upstream direction, the free edges of the guide elements (5) more and more away from the main flow channel and the blade tips (see the forward obliquely rising edge profile of the guide elements (5) in Fig. 2 and 3).
  • the object of the invention is to provide a recirculation structure for turbocompressors, which allows a significant increase in the surge line and thus a significant increase in the stable operating range without relevant deterioration of the compressor efficiency.
  • the essence of the invention is that the annular chamber, which is completely open to the main flow channel over its axial length and circumference, lies with its axial center upstream of the axial center of the free blade end, and that the free edges of the guide elements are at or near their axial length lie the contour of the main flow channel. Ring-like elements with squish coverings, etc. omitted.
  • the abovementioned patents show that experts have hitherto attempted to carry out recirculation structures to the main flow channel, ie to the so-called annular space over as large an axial area as possible, with little gap and closed, in order to maximize flow-favorable and low-loss extension of the contour of the
  • the recirculation structure 1 according to FIG. 1 is integrated into the housing 5 of a turbocompressor and thus to be referred to as a "casing treatment".
  • the flow direction in the bladed main flow channel 9 is indicated on the left with an arrow, so it runs from left to right.
  • the flow strikes in the area shown first on a vane ring 13, then on a blade ring 20 and finally back on a vane ring 14.
  • the radially outer contour 11 of the main flow channel 9 corresponds to the inner contour of the housing 5 and is to illustrate the left and right of the actual representation continued with dot-dash lines.
  • the static recirculation structure 1 cooperates with the blade ring 20 and is located largely axially before this, ie upstream.
  • the free edges 41 of the guide elements 37 lie on or close to the contour 11 of the main flow channel 9, ie they are at least approximately aligned with the housing inner contour.
  • the guide elements 37 may consist of a metal, such as a Ni-based alloy, or of a light metal, such as Al, or of a plastic, such as thermoplastics, thermosets or elastomers.
  • the front wall 33 and the rear wall 34 of the annular chamber 29 are inclined forwardly from their radially inner edges 35, 36 to be flow-favorable for the recirculation indicated by a small arrow.
  • the angle of inclination of the front wall is denoted by ⁇ , it may be the same or different in relation to the angle of the rear wall 34.
  • ⁇ The angle of inclination of the front wall
  • the guide elements 37 and the rear wall 34 recesses 45, 46 are provided which allow flow processes within the annular chamber in the circumferential direction, in addition to the predominantly axially extending recirculation.
  • 25 the free blade ends of the blade ring 20 are designated, in the area flow disturbances most likely to occur.
  • FIG. 2 shows a recirculation structure 2 integrated in a rotating hub 8. From left to right, a blade ring 21, a vane ring 15 with radially inner, free blade ends 26 and a blade ring 22 are identified in the main flow channel 10 Arrangement of a recirculation structure would consequently be referred to as "stroke treatment”.
  • the recirculation structure consisting of annular chamber 30 and guide elements 38 2 with front and rear recesses 47, 48 cooperates with a largely downstream vane ring 15. Since the "Hub Treatment" rotates here and the vane ring 15 is stationary, the rotor speed fully acts as a differential speed.
  • the mode of action differs in principle not from that of a "Casing Treatments” In a turbo compressor, "Casing Treatment” and “Hub Treatment” can also be combined and used in several stages.
  • the radially inner contour 12 of the main flow passage corresponds here to the outer contour of the hub 8.
  • FIG. 3 shows in cross-section a detail from FIG. 1.
  • the guide elements 37 are inclined at an angle ⁇ to the radial such that the blade ends 25 of the rotor blade ring 20 convey the recirculation flow into the annular chamber 29 without major losses, the direction of rotation (see arrow). is to be noted.
  • the angle of inclination ⁇ can decrease from radially inward to outward to the value "zero" given correspondingly curved guide elements.
  • a radial arrangement of the vanes, i. ⁇ 0 ° is possible, but should be less aerodynamic.
  • FIG. 4 to Figure 3 shows the blade profile of the blade ring 20 in conjunction with its direction of rotation (arrow) and gives a good idea of the flow-favorable profiling and curvature of the guide elements 37.
  • the skilled person can recognize that the recirculation outlet in the upstream Edge 35 of the annular chamber 29 in relation to the blade ring 20 should be done here with counter-rotation.
  • the downstream edge of the annular chamber is designated.
  • the guide elements 37 in simpler embodiments may also consist of flat or curved "sheets".
  • the recirculation structure 3 according to FIG. 5 is a "casing treatment" with an annular chamber 31 integrated in a housing 6.
  • the guide elements 39 extend as far as the front wall of the annular chamber 31, recesses 49 are present in the rear area, in the immediate vicinity of the blade ends 27 of FIG Blade ring 23.
  • the recirculation structure 4 in FIG. 6 with annular chamber 32 and guide elements 40 is likewise a "casing treatment", which is integrated in a housing 7 and cooperates with a rotor blade rim 24.
  • the guide elements 40 In contrast to Figure 5 rich here the guide elements 40 to the rear wall of the annular chamber 32. Recesses 50 are provided here in the front area. Since the free edges 44 of the guide elements 40 extend into the rotation range of the blade ends 28, they are offset radially outward in the rear area in order to reliably avoid contact with the blades. Of course, the edges can be offset accordingly throughout.
  • the free edges 41 to 44 of the guide elements 37 to 40 need not be offset radially outward when the guide elements are made of a soft light metal or plastic, because a contact with the blade ends allowed 25 to 28 can be done without damaging the blades.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie ein Flugtriebwerk und eine stationäre Gasturbine.
  • Rezirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind seit geraumer Zeit bekannt und werden in der Fachwelt in der Regel als "Casing Treatments" bezeichnet. Diese haben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdichters zu erhöhen, wobei die sogenannte Pumpgrenze zu höheren Verdichterdrücken, d.h. zu einer höheren Verdichterbelastung hin, verschoben wird. Die für einen örtlichen Strömungsabriss und letztlich für das Pumpen des Verdichters verantwortlichen Störungen treten gehäuseseitig an den Laufschaufelenden einer bzw. mehrerer Verdichterstufen, nabenseitig an den radial innenliegenden Leitschaufelenden auf, da in diesen Bereichen die aerodynamische Belastung am höchsten ist. Durch Rezirkulation der zwischen den Schaufelspitzen mit Schaufeldrehzahl umlaufenden, eine reduzierte Energie aufweisenden "Luftteilchen" in den Hauptstrom unter Energiezunahme wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden wieder stabilisiert. Da Strömungsstörungen in der Regel nicht gleichmäßig über den Stufenumfang auftreten, sollte strömungstechnisch auch ein Ausgleich in Umfangsrichtung, zusätzlich zur im wesentlichen axialen Rezirkulation, möglich sein. Der Hauptnachteil der bekannten "Casing Treatments" liegt darin, dass sie zwar die Pumpgrenze erhöhen, aber gleichseitig den Verdichterwirkungsgrad reduzieren.
  • Die DE 33 22 295 C3 schützt einen Axialventilator mit einem gattungsgemäßen "Casing Treatment". Man erkennt dort eine Ringkammer (8), in der Leitelemente (9) fest angeordnet sind. Im stromabwärtigen Bereich über den Laufschaufelenden befindet sich ein in Umfangsrichtung offener Bereich, in den sich die Leitelemente nicht erstrecken. Charakteristisch für diese Art "Casing Treatment" ist ein etwa mit der Kontur des Hauptströmungskanales fluchtender, geschlossener Ring (7), der den hinteren Eintrittsbereich vom vorderen Austrittsbereich der Rezirkulationsstruktur trennt und einen glatten, geschlossenen Oberflächenbereich bildet.
  • Ein ganz ähnliches "Casing Treatment" ist aus der DE 35 39 604 C1 bekannt, wobei hier im vorderen und hinteren Bereich der Ringkammer (7) ein in Umfangsrichtung offener Bereich vorhanden ist. Man beachte auch hier den radial innenliegenden Ring 6.
  • Ein neueres "Casing Treatment" ist aus der US 5,282,718 A bekannt. Hier sind die Ringkammer (18, 28) und die Leitelemente (24) strömungstechnisch verfeinert. Auch hier sind Ein- und Austritt der Rezirkuiationsströmung durch einen massiven, zu den Schaufeln hin glatten und geschlossenen Ring getrennt. Derartige Ringe im Schaufelbereich müssen für den Fall der Berührung mit den Schaufelspitzen in der Regel mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag versehen werden.
  • Es gibt weitere "Casing Treatments" mit axialen bzw. axial schrägen Nuten, wie z.B. in der US 5,137,419 A offenbart. Diese bleiben hier deshalb außer Betracht, da mangels Verbindung der Nuten untereinander bei diesen Versionen kein Strömungsausgleich in Umfangsrichtung möglich ist.
  • Das Dokument US 3,620,640 A schützt einen Mantel (shroud) mit einer Rezirkulationsstruktur für einen Propeller oder Fan. Die Rezirkulationsstruktur umfasst eine im Querschnitt kreisrunde Ringkammer (toroidal cavity 2), in der Leitelemente (profiled partitions 5) angeordnet sein können. Die an den Hauptströmungskanal angrenzende Seite der Ringkammer (2) ist über ihre axiale Länge und über ihren Umfang zum Hauptströmungskanal hin offen. Wie insbesondere die Figuren 2 und 3 zeigen, fällt die axiale Mitte der Ringkammer (2) relativ genau mit der axialen Mitte der Propellerschaufeln (propeller blades 3) zusammen, wobei sich die offene Seite der Ringkammer stromaufwärts und stromabwärts der Schaufeln (3) erstreckt.
    Die Leitelemente (5) reichen nur an ihrem stromabwärtigen, hinteren Ende an die Kontur des Hauptströmungskanals, d. h. an die Innenkontur des Mantels (shroud 1), heran. In stromaufwärtiger Richtung entfernen sich die freien Kanten der Leitelemente (5) immer mehr vom Hauptströmungskanal und von den Schaufelspitzen (siehe den nach vorne schräg ansteigenden Kantenverlauf der Leitelemente (5) in Fig. 2 und 3).
  • Das Dokument US 5,474,417 A betrifft eine Rezirkulationsstruktur für Verdichterschaufeln (casing treatment for compressor blades), bei der die Ringkammer zum Hauptströmungskanal hin weitgehend geschlossen ist und nur am stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende jeweils einen Aus- bzw. Einlassschlitz aufweist. Siehe hierzu das ringförmige, die Ringkammer weitgehend verschließende Element 46, das mit einem Einlaufbelag 72 versehen ist.
  • Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter bereitzustellen, die eine deutliche Erhöhung der Pumpgrenze und somit eine deutliche Vergrößerung des stabilen Betriebsbereiches ohne relevante Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
  • Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass die zum Hauptströmungskanal hin über ihre axiale Länge und ihren Umfang vollkommen offene Ringkammer mit ihrer axialen Mitte stromaufwärts der axialen Mitte der freien Schaufelende liegt, und dass die freien Kanten der Leitelemente über ihre axiale Länge auf oder nahe bei der Kontur des Hauptströmungskanales liegen. Ringartige Elemente mit Anstreifbelägen etc. entfallen dabei. Die obengenannten Patentschriften zeigen, dass die Fachwelt bis dato versucht hat, Rezirkulationsstrukturen zum Hauptströmungskanal, d.h. zum sog. Ringraum hin über einen möglichst großen axialen Bereich glatt, spaltarm und geschlossen auszuführen, um eine möglichst strömungsgünstige und verlustarme Verlängerung der Kontur des
  • Hauptströmungskanales zu bewirken. Die Erfindung führt demgegenüber zu Spalten, zerklüfteten Oberflächen etc. und erscheint somit nachteilig und unzweckmäßig zu sein. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die erfindungsgemäße Rezirkulationsstruktur bekannten Lösungen sowohl hinsichtlich Pumpgrenzanhebung als auch hinsichtlich Wirkungsgrad überlegen ist. Dies ist aerodynamisch dadurch zu erklären, dass die freie, ungezwungene Ausbildung der Rezirkulationsströmung in der offenen Ringkammer mit freistehenden Leitelementen und Strömungsverbindungen in Umfangsrichtung wichtiger ist, als eine möglichst spaltfreie Verlängerung der Kontur des Hauptströmungskanales. Das Fehlen eines geschlossenen Rings hat die weiteren Vorteile, dass kein Anstreif- bzw. Einlaufbelag für die Leitelemente erforderlich ist und radialer Bauraum sowie Gewicht eingespart wird, was zu strukturmechanischen Vorteilen führt.
  • In den Unteransprüche sind bevorzugte Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird anschließend anhand er Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
    • Figur 1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauart im Bereich einer gehäuseseitigen Rezirkulationsstruktur,
    • Figur 2 einen vergleichbaren Teillängsschnitt im Bereich einer nabenseitigen Rezirkulationsstruktur,
    • Figur 3 einen Teilquerschnitt durch die Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1,
    • Figur 4 eine Teilansicht der Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1 und 3 radial von Innen,
    • Figur 5 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 modifizierten Rezirkulationsstruktur, und
    • Figur 6 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 und Figur 5 modifizierten Rezirkulationsstruktur.
  • Die Rezirkulationsstruktur 1 gemäß Figur 1 ist in das Gehäuse 5 eines Turboverdichters integriert und somit als "Casing Treatment" zu bezeichnen. Die Strömungsrichtung im beschaufelten Hauptströmungskanal 9 ist links mit einem Pfeil angedeutet, sie verläuft also von links nach rechts. Die Strömung trifft im gezeigten Bereich zunächst auf einen Leitschaufelkranz 13, dann auf einen Laufschaufelkranz 20 und schließlich wieder auf einen Leitschaufelkranz 14. Die radial äußere Kontur 11 des Hauptströmungskanals 9 entspricht der inneren Kontur des Gehäuses 5 und ist zur Verdeutlichung links und rechts der eigentlichen Darstellung strichpunktiert fortgesetzt. Die statische Rezirkulationsstruktur 1 wirkt mit dem Laufschaufelkranz 20 zusammen und liegt großteils axial vor diesem, d.h. stromaufwärts. Die zusammen mit den Leitelementen 37 die Rezirkulationsstruktur 1 bildende Ringkammer 29 grenzt radial von außen an den Hauptströmungskanal 9 an und ist zu diesem hin offen. Die freien Kanten 41 der Leitelemente 37 liegen auf oder nahe bei der Kontur 11 des Hauptströmungskanales 9, d.h. sie fluchten zumindest annähernd mit der Gehäuseinnenkontur. Die Leitelemente 37 können aus einem Metall, wie einer Ni-Basislegierung, oder aus einem Leichtmetall, wie Al, oder aus einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, bestehen. Die vordere Wand 33 und die hintere Wand 34 der Ringkammer 29 sind ausgehend von ihren radial inneren Kanten 35, 36 nach vorne geneigt, um für die mit einem kleinen Pfeil angedeutete Rezirkulation strömungsgünstig zu sein.
  • Der Neigungswinkel der vorderen Wand ist mit α bezeichnet, er kann gleich oder unterschiedlich in Relation zum Winkel der hinteren Wand 34 sein. Zwischen der vorderen Wand 33, den Leitelementen 37 und der hinteren Wand 34 sind Aussparungen 45, 46 vorhanden, die Strömungsvorgänge innerhalb der Ringkammer in Umfangsrichtung zulassen, zusätzlich zur vorwiegend axial verlaufenden Rezirkulation. Mit 25 sind die freien Schaufelenden des Laufschaufelkranzes 20 bezeichnet, in deren Bereich Strömungsstörungen am ehesten auftreten.
  • Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 2 eine in eine rotierende Nabe 8 integrierte Rezirkulationsstruktur 2. Man erkennt im Hauptströmungskanal 10 von links nach rechts einen Laufschaufelkranz 21, einen Leitschaufelkranz 15 mit radial inneren, freien Schaufelenden 26 und einen Laufschaufelkranz 22. Eine solche, neue Anordnung einer Rezirkulationsstruktur wäre konsequenterweise als "Hub Treatment" zu bezeichnen. Die aus Ringkammer 30 und Leitelementen 38 bestehende Rezirkulationsstruktur 2 mit vorderen und hinteren Aussparungen 47, 48 wirkt mit einem großteils stromabwärts liegenden Leitschaufelkranz 15 zusammen. Da hier das "Hub Treatment" rotiert und der Leitschaufelkranz 15 steht, wirkt die Rotordrehzahl voll als Differenzdrehzahl. Die Wirkungsweise unterschiedet sich prinzipiell nicht von der eines "Casing Treatments" In einem Turboverdichter können "Casing Treatment" und "Hub Treatment" auch kombiniert werden und in mehreren Stufen zur Anwendung kommen. Die radial innere Kontur 12 des Hauptströmungskanals entspricht hier der Außenkontur der Nabe 8.
  • Figur 3 zeigt im Querschnitt ein Detail aus Fig. 1. Die Leitelemente 37 sind um einen Winkel β so zur Radialen geneigt, dass die Schaufelenden 25 des Laufschaufelkranzes 20 die Rezirkulationsströmung ohne größere Verluste in die Ringkammer 29 hineinfördern, wobei die Drehrichtung (siehe Pfeil) zu beachten ist. Der Neigungswinkel β kann von radial Innen nach Außen bis auf den Wert "Null" abnehmen bei entsprechend gekrümmten Leitelementen.
  • Eine radiale Anordnung der Leitelemente, d.h. β = 0° ist möglich, dürfte aber weniger strömungsgünstig sein.
  • Die Ansicht gemäß Figur 4 zu Figur 3 zeigt die Schaufelprofilierung des Laufschaufelkranzes 20 in Verbindung mit seiner Drehrichtung (Pfeil) und vermittelt eine gute Vorstellung von der strömungsgünstigen Profilierung und Krümmung der Leitelemente 37. Der Fachmann vermag zu erkennen, dass der Rezirkulationsaustritt im Bereich der stromaufwärtigen Kante 35 der Ringkammer 29 in Relation zum Laufschaufelkranz 20 hier mit Gegendrall erfolgen soll. Mit 36 ist die stromabwärtige Kante der Ringkammer bezeichnet. Es sei daran erinnert, dass die Leitelemente 37 in einfacheren Ausführungen auch aus ebenen oder gekrümmten "Blechen" bestehen können.
  • Die Rezirkulationsstruktur 3 gemäß Figur 5 ist ein "Casing Treatment" mit einer in ein Gehäuse 6 integrierten Ringkammer 31. Die Leitelemente 39 reichen hier bis zur vorderen Wand der Ringkammer 31, im hinteren Bereich sind Aussparungen 49 vorhanden, in unmittelbarer Nähe der Schaufelenden 27 des Laufschaufelkranzes 23.
  • Die freien Kanten 43 der Leitelemente 39 reichen nicht bis in den Rotationsbereich der Schaufelenden 27. Mit 16 und 17 sind Leitschaufelkränze bezeichnet.
  • Die Rezirkulationsstruktur 4 in Figur 6 mit Ringkammer 32 und Leitelementen 40 ist ebenfalls ein "Casing Treatment", das in ein Gehäuse 7 integriert ist und mit einem Laufschaufelkranz 24 zusammenwirkt. Im Unterschied zu Figur 5 reichen hier die Leitelemente 40 bis zur hinteren Wand der Ringkammer 32. Aussparungen 50 sind hier im vorderen Bereich vorgesehen. Da die freien Kanten 44 der Leitelemente 40 bis in den Rotationsbereich der Schaufelenden 28 reichen, sind sie im hinteren Bereich radial nach außen versetzt, um eine Berührung mit den Schaufeln sicher zu vermeiden. Natürlich können die Kanten auch im ganzen entsprechen versetzt sein.
  • Für alle Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur gilt, dass die freien Kanten 41 bis 44 der Leitelemente 37 bis 40 nicht radial nach außen versetzt sein müssen, wenn die Leitelemente aus einem weichen Leichtmetall oder einem Kunststoff hergestellt sind, weil eine Berührung mit den Schaufelenden 25 bis 28 zugelassen werden kann, ohne dass die Schaufeln beschädigt werden.

Claims (13)

  1. Rezirkulationsstruktur (1 bis 4) für Turboverdichter, mit einer konzentrisch zur Verdichterachse im Bereich der freien Schaufelenden (25 bis 28) eines Schaufelkranzes (15, 20, 23, 24) angeordneten Ringkammer (29 bis 32), die radial an die Kontur (11, 12) des Hauptströmungskanales (9, 10), des sogenannten Ringraumes, angrenzt, wobei die an die Kontur (11, 12) des Hauptströmungskanales (9, 10) angrenzende Seite der Ringkammer (29 bis 32) über ihre axiale Länge sowie über ihren gesamten Umfang zum Hauptströmungskanal (9, 10) hin offen ist, und mit einer Vielzahl von in der Ringkammer (29 bis 32) angeordneten, über deren Umfang verteilten Leitelementen (37 bis 40), die in der Weise angeordnet und geformt sind, dass im axial hinteren Bereich der Ringkammer (29 bis 32) der Eintritt der Rezirkulationsströmung strömungsgünstig erfolgt, und im axial vorderen Bereich der Ringkammer (29 bis 32) der Austritt der Rezirkulationsströmung relativ zum stromabwärtigen Schaufelkranz (15, 20, 23, 24) mit definierter Richtung und ggf. definiertem Drall erfolgt, wobei die Leitelemente (37 bis 40) im vorderen und/oder im hinteren Bereich der Ringkammer (29 bis 32) Aussparungen (45 bis 50) für einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Kanten (41 bis 44) der Leitelemente (37 bis 40) über ihre axiale Länge auf oder nahe bei der Kontur (11,12) des Hauptströmungskanales (9,10) liegen, und dass die axiale Mitte der Ringkammer (29 bis 32) stromaufwärts der axialen Mitte der freien Schaufelenden (25 bis 28) liegt.
  2. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein-oder mehrfach gehäusefest, d.h. statisch, im Bereich eines oder mehrerer Laufschaufelkränze (20, 23, 24) und/oder ein- oder mehrfach nabenfest, d.h. rotierend, im Bereich eines oder mehrerer Leitschaufelkränze (15) angeordnet ist.
  3. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem ein- oder mehrstufigen Turboverdichter in Axial-, Diagonal- oder Radialbauweise angeordnet ist.
  4. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axial vordere Wand (33) und die axial hintere Wand (34) der Ringkammer (29) ausgehend von ihren Kanten (35,36) auf der Kontur (11) des Hauptströmungskanales (9) um den gleichen oder einen unterschiedlichen Winkel α stromaufwärts, d.h. schräg nach vorne, geneigt sind.
  5. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel α der axial vorderen und der axial hinteren Wand der Ringkammer ausgehend von der Radialrichtung einen Wert im Bereich von 30° bis 60° aufweist.
  6. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) blechartig, eben oder gekrümmt, mit konstanter Dicke, oder schaufelartig, räumlich gekrümmt, mit variierender Dicke und mit definierten Profilschnitten ausgeführt sind.
  7. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) - bei axialer Blickrichtung - radial, in Umfangsrichtung geneigt oder in Umfangsrichtung gekrümmt angeordnet sind, wobei im Falle einer Neigung oder Krümmung die Winkel β so gewählt sind, dass der Eintritt der Rezirkulationsströmung in die Ringkammer (29 bis 32) strömungstechnisch erleichtert wird, d.h. strömungsgünstig erfolgt.
  8. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Gesamtströmungsvolumens zum Gesamtvolumen der Leitelemente (37 bis 40) innerhalb der Rezirkulationsstruktur (1 bis 4) möglichst groß gewählt ist, d.h. die Leitelemente (37 bis 40) möglichst dünnwandig bzw. dünn profiliert ausgeführt sind.
  9. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich die Leitelemente (40) axial bis in den Bereich der freien Schaufelenden (28) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Kanten (44) der Leitelemente (40) zumindest im Bereich der freien Schaufelenden (28) radial so weit zurückgesetzt sind, dass im Normalbetrieb des Turboverdichters keine Berührung zwischen den Schaufelenden (28) und den Leitelementen (40) erfolgt.
  10. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) aus einem Metall, wie Stahl oder einer Ni- oder einer Co-Basislegierung, einem Leichtmetall, wie Al, oder einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, bestehen.
  11. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die freien Kanten (41 bis 44) der Leitelemente (37 bis 40) im Fall von Leichtmetall oder Kunststoff bis in den Bereich der freien Schaufelenden (25 bis 28) erstrecken und eine Berührung möglich ist.
  12. Flugtriebwerk, umfassend einen Turboverdichter mit wenigstens einer Rezirkulationsstruktur (1 bis 4) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Stationäre Gasturbine, umfassend einen Turboverdichter mit wenigstens einer Rezirkulationsstruktur (1 bis 4) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11.
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