DE10135003C1 - Verdichtergehäusestruktur - Google Patents

Abstract

Verdichtergehäusestruktur im Bereich eines axial durchströmten Laufschaufelkranzes, mit einer Vielzahl von axialen Nuten, welche sich von einer ersten Radialebene stromaufwärts der Schaufelspitzeneintrittskanten bis in eine zweite Radialebene zwischen den Schaufelspitzenein- und -austrittskanten erstrecken und Nutquerschnitte mit parallelen Seitenwänden aufweisen. DOLLAR A Die Mittelachsen der Nutquerschnitte weisen an den stromaufwärtigen Nutenden - von der Öffnung zum Nutgrund hin - einen Neigungswinkel mit einer Umfangskomponente entgegen der Schaufelbewegungsrichtung auf, die Mittelachsen der Nutquerschnitte weisen an den stromabwärtigen Nutenden einen Neigungswinkel mit einer Umfangskomponente in Schaufelbewegungsrichtung auf, und der Neigungswinkel der Mittelachsen der Nutquerschnitte ändert sich zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Nutenden stufenlos im Sinne einer Verdrillung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichtergehäusestruktur im Bereich eines axial durch­ strömten Laufschaufelkranzes, mit einer Vielzahl von gleichmäßig über den Gehäu­ seumfang verteilten, zu den Schaufelspitzen hin offenen und zumindest annähernd axial verlaufenden Nuten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine Verdichtergehäusestruktur dieser Art ist beispielsweise aus der DE 35 21 798 C2 bekannt und hat primär die Aufgabe, bei zunehmender Androsselung im Teillast- bzw. Vollastbetrieb die Pumpgrenze anzuheben, um einen sicheren Betrieb ohne Pumpen zu ermöglichen bzw. um eine Vergrößerung des verfügbaren Arbeitsberei­ ches zu gestatten. Dabei wirken die Nuten als Rezirkulationskanäle für aufgestaute Luft mit hohem Druck, die im Außenbereich des Laufschaufelkranzes ohne Rezirkula­ tionsmöglichkeit zu "rotating stall" und Pumpen führen würde. Hierbei liegen die stromaufwärtigen, vorderen Nutenden stromaufwärts der Schaufelspitzeneintritts­ kanten (siehe Maß A in den Fig. 2, 8, 9 und 10), die hinteren Nutenden liegen in der Radialebene der Schaufelspitzenaustrittskanten oder eher vor dieser Radialebe­ ne. Gemäß Fig. 4 dieser Patentschrift ist vorgesehen, die in sich geraden Nuten im Umfangsrichtung so geneigt anzuordnen, dass der Lufteintritt an ihren stromabwär­ tigen Enden erleichtert wird (siehe hierzu auch Anspruch 2).

Eine weitere Maßnahme im Sinne eines verbesserten Lufteintritts ist eine Schräg­ stellung der Nuten/Schlitze unter einem Winkel zur Verdichterlängsmittelachse (sie­ he Fig. 3 und Anspruch 3).

Die EP 0 497 574 B1 schützt eine Verdichtergehäusestruktur (fan case treatment), welche über den Schaufelspitzen eines Niederdruckverdichters angeordnet ist. Diese Struktur umfasst axial beabstandete Einlass- und Auslasspassagen (34, 36) bzw. Ein­ lass- und Auslassöffnungen (56, 58) sowie Leitschaufeln (38, 66) in den Verbindungs­ passagen zwischen Ein- und Auslass. Die mit deutlicher Umfangskomponente in die Struktur eintretende Rezirkulationsluft wird durch die Leitschaufeln so umgelenkt, dass sie durch den Auslass in vorwiegend axialer Richtung in den Hauptstrom zu­ rückgeführt wird, d. h. weitgehend ohne Umfangskomponente. Ohne diese Änderung bzw. Reduzierung der Umfangskomponente würde die Luft mit Gegendrall auf die Laufschaufelspitzen treffen, d. h. druckseitig mit deutlicher Winkelabweichung vom Schaufeleintrittswinkel, verbunden mit Strömungsverlusten und einer erhöhten Ten­ denz zum Strömungsabriss auf der Saugseite. Dieser Nachteil, der bei bestimmten Ausführungen der DE 35 21 798 C2 noch gegeben ist, wird gemäß der EP 0 497 574 B1 vermieden. Allerdings ist der konstruktive Aufwand mit separaten Ein- und Aus­ trittsöffnungen sowie einer Vielzahl von Leitschaufeln sehr hoch und wohl nur bei geometrisch großen Verdichterschaufeln und Gehäusen zu realisieren.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Verdichtergehäuse­ struktur verfügbar zu machen, die auf dem Prinzip der Luft- bzw. Gasrezirkulation basiert und bei einfacher, kostengünstiger Konstruktion eine deutliche Anhebung der Pumpgrenze eines Verdichters und somit eine spürbare Vergrößerung seines Arbeitsbereiches durch strömungstechnische Optimierung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Die Erfindung verwendet zu den Laufschaufelspitzen hin offene Nuten, deren Öffnungen in der äußeren Ringraumkontur zumindest annähernd axial verlaufen. Im Unterschied zu bekannten Lösungen sind die Nutquerschnitte jedoch von den stromaufwärtigen Nutenden bis zu den stromabwärtigen Nutenden kontinuierlich verdrillt, d. h. ihr Nei­ gungswinkel mit Radial- und Umfangskomponente ändert sich über die Nutlänge laufend, wobei etwa in der axialen Nutmitte eine Stelle mit rein radialer Quer­ schnittsorientierung vorhanden ist, quasi ein "Nulldurchgang" des Neigungswinkels. An den stromabwärtigen Nutenden sind die Nutquerschnitte so geneigt, dass der Eintritt der Rezirkulationsluft erleichtert wird, wobei die Neigung von der Öffnung zum Nutgrund eine Umfangskomponente in Rotationsrichtung, d. h. in Bewegungs­ richtung der Schaufelspitzen aufweist. An den stromaufwärtigen Nutenden ist die Neigung umgekehrt, so dass die hier in den Hauptstrom austretende Rezirkulations­ luft mit einem Gleichdrall auf die rotierenden Laufschaufelspitzen trifft, was die An­ strömung deutlich verbessert und Verluste reduziert. Auch die Tendenz zur Strö­ mungsablösung wird merklich verringert.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Verdichtergehäuse­ struktur gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Da­ bei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:

Fig. 1 einen axial-radialen Teillängsschnitt durch eine Verdichtergehäusestruktur im Bereich eine Laufschaufelspitze, und

Fig. 2 einen Teilquerschnitt gemäß dem Schnittverlauf A-A in Fig. 1.

Die Verdichtergehäusestruktur 1 weist eine Vielzahl von gleichmäßig über den Ge­ häuseumfang verteilten Nuten 2 auf, die sich von einer stromaufwärtigen Radialebe­ ne Eo bis zu einer stromabwärtigen Radialebene Ei erstrecken. Im rechten, unteren Teil von Fig. 1 ist die Spitze 8 einer Schaufel eines Laufschaufelkranzes 7 zu erken­ nen, wobei entsprechend der Strömungsrichtung (großer weißer Pfeil) die Schaufel­ spitzeneintrittskante 9 links, die Schaufelspitzenaustrittskante 10 rechts liegt. Die Bewegungsrichtung D der Schaufelspitze 8 ist mit einem Kreuz in einem Kreis ange­ deutet, die Umfangskomponente der entsprechenden Drehbewegung soll also aus­ gehend von der Zeichenebene nach hinten weisen. Die Radialebene Eo, d. h. das vor­ dere Nutende, liegt deutlich stromaufwärts der Schaufelspitzeneintrittskante 9, die Radialebene Ei, d. h. das hintere Nutende, liegt axial zwischen der Schaufelspitzein­ trittskante 9 und der Schaufelspitzenaustrittskante 10, die genaue Lage hängt von den zu erwartenden Strömungsgegebenheiten (Verdichtungsstoß etc.) ab. Die Strö­ mungsrezirkulation durch die Nut 2 ist mit kleinen weißen Pfeilen gekennzeichnet. Jede Nut 2 ist erfindungsgemäß von Ihrem vorderen, stromaufwärtigen bis zu ihrem hinteren, stromabwärtigen Ende kontinuierlich verdrillt (verwunden), wobei die Drill­ achse eine gedachte, axiale Gerade in der Ringraumkontur R ist. Die Ringraumkontur R wird im Nutenbereich in aller Regel kreiszylindrisch sein, in seltenen Fällen kann sie sich entsprechend einem Kreiskegel geringfügig verjüngen bzw. erweitern. Die Öffnung 3 jeder Nut besitzt somit eine zumindest weitgehend axiale Mittelli­ nie/Symmetrieachse. Die auffällige, spiegelsymmetrische und glockenähnliche Schnittlinie in Fig. 1 ergibt sich durch den Schnitt einer radial-axialen Ebene mit der räumlich verdrillten Nutkontur. Die gestrichelte Nutkontur, insbesondere der Nut­ grund 6, rechts oberhalb der "Glockenlinie" liegt hinter der Zeichenebene, wohingegen die strichpunktierte Nutkontur links oberhalb der "Glockenlinie" vor der Zei­ chenebene liegt. Am höchsten Punkt der "Glockenlinie" liegt die Mitte des Nutgrun­ des 6 genau in der Zeichenebene, ebenso wie die gedachte Mittelachse des entspre­ chenden Nutquerschnitts. Die Öffnung 3 jeder Nut 2 kann in ihrem axial mittleren Bereich durch einen ringförmig umlaufenden Steg 11 abgedeckt sein, dessen Innen­ durchmesser mit der Ringraumkontur R fluchtet. Dadurch können sich Vorteile im Sinne geringerer Reibung, Turbulenzen etc. ergeben.

Die Erfindung wird besser verständlich, wenn man die Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 betrachtet. Fig. 2 entspricht einem Radialschnitt/Querschnitt gemäß dem Verlauf A-A in Fig. 1. Im unteren Teil von Fig. 2 erkennt man die Schaufelspitze 8 mit ihrer Bewegungsrichtung D (Pfeil nach links) sowie mit ihrer Eintrittskante 9 und ihrer Aus­ trittskante 10. In geringem Abstand über der Schaufelspitzenkontur ist die Ring­ raumkontur R als Kreisbogenlinie erkennbar. Die vertikale, strichpunktierte und nicht näher bezeichnete Achse durch den Punkt S entspricht der Radialrichtung, ausge­ hend von der Laufschaufelkranzmitte. Die seitlich geneigten Achsen M, Mi und Mo entsprechen gedachten Mittelachsen der Nutquerschnitte an axial unterschiedlichen Stellen der Nutlänge. Durch den Schnittverlauf ist der vorderste, am weitesten stromauf gelegene Nutquerschnitt mit der Mittellinie Mo unter einem Neigungswin­ kel αo geöffnet. Man erkennt u. a. die parallelen Seitenwände 4, 5 der Nut 2 sowie den halbkreisförmig gerundeten Nutgrund 6. Die Mittelachse Mo schneidet die Ring­ raumkontur R im Punkt S, wobei der Abstand vom Punkt S zur Mitte des Nutgrundes 6 als Nuttiefe T bezeichnet ist. Der am weitesten stromab gelegene Nutquerschnitt mit der Mittelachse Mi und dem Neigungswinkel αi ist großteils gestrichelt wieder­ gegeben, da er weitgehend verdeckt hinter der Zeichenebene liegt. Da die Nuttiefe T hier über die axiale Nuterstreckung konstant sein soll, liegen alle Nutgrundmitten auf einem gestrichelten Kreisbogen. Die Mittelachsen M, Mi, Mo aller Nutquerschnitte unter verschiedenen Neigungswinkeln α, αi, αo schneiden die Ringraumkontur in einer axialen Geraden, so dass S nicht nur ein Schnittpunkt, sondern eine gerade, axiale Schnittlinie und gleichzeitig die Symmetrieachse der Öffnung 3 der Nut 2 ist. S ist somit auch das gedachte Zentrum der Verdrillung/Verwindung. Der Weg der Re­ zirkulationsströmung durch die Nut 2 ist auch hier mit kleinen weißen Pfeilen ange­ deutet. Der Strömungseintritt am hinteren Nutende erfolgt etwa unter dem Winkel αi mit einer Umfangskomponente in Bewegungsrichtung der Schaufelspitzen 8. Der Strömungsaustritt am vorderen Nutende erfolgt etwa unter dem Winkel αo im Sinne eines Gleichdralles mit der Schaufelrotation. Somit werden der Strömungseintritt in die Nut 2 und die Schaufelspitzenanströmung nach Austritt aus der Nut verbessert, wodurch der Gesamtwirkungsgrad deutlich erhöht werden kann.

Die Buchstaben "i" und "o" in Verbindung mit "M" und "α" sollen für "in" und "out" stehen, als Hinweis auf den Ein- und Austritt der Rezirkulationsströmung.

Die Nuttiefe kann über die axiale Nuterstreckung variieren, wobei insbesondere eine Reduzierung der Tiefe zu den beiden Nutenden hin vorstellbar ist. Die genaue Defini­ tion der Nutgeometrien einschließlich Neigungswinkel erfordert voraussichtlich ent­ sprechende Berechnungen und Versuche.

In Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Nut 2 dargestellt. Tatsächlich wer­ den die Nuten in Umfangsrichtung relativ eng benachbart sein, wobei die verbleiben­ den Wanddicken zwischen den Nuten kleiner sein können als der lichte Abstand zwi­ schen den Seitenwänden der Nuten. In Fig. 2 müssten also real etwa 4 bis 5 Nuten nebeneinander erkennbar sein.

Claims (7)

1. Verdichtergehäusestruktur im Bereich eines axial durchströmten Laufschaufel­ kranzes, mit einer Vielzahl von gleichmäßig über den Gehäuseumfang verteilten, zu den Schaufelspitzen hin offenen und zumindest annähernd axial verlaufenden Nuten, welche sich von einer ersten Radialebene stromaufwärts der Schaufel­ spitzeneintrittskanten bis in eine zweite Radialebene axial zwischen den Schau­ felspitzeneintrittskanten und den Schaufelspitzenaustrittskanten erstrecken und welche - jeweils im Radialschnitt - Nutquerschnitte mit über den Großteil ihrer Tiefe geraden und parallelen Seitenwänden aufweisen, dadurch gekennzeich­ net,
dass die - gedachten - Mittelachsen (Mo) der Nutquerschnitte an den stromauf­ wärtigen Nutenden - von der Öffnung (3) zum Nutgrund (6) hin - einen Nei­ gungswinkel (αo) zur Radialrichtung mit einer Umfangskomponente entgegen der Bewegungsrichtung (D) der Schaufelspitzen (8) aufweisen,
dass die Mittelachsen (Mi) der Nutquerschnitte an den stromabwärtigen Nuten­ den - von der Öffnung (3) zum Nutgrund (6) hin - einen Neigungswinkel (αi) zur Radialrichtung mit einer Umfangskomponente in Bewegungsrichtung (D) der Schaufelspitzen (8) aufweisen,
dass sich der Neigungswinkel (α) der Mittelachsen (M) der Nutquerschnitte zwi­ schen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Nutenden stufenlos im Sinne einer Verdrillung/Verwindung ändert, und
dass die - gedachten - Schnittlinien (S) der Mittelachsen (M, Mi, Mo) der Nut­ querschnitte mit der äußeren, gehäuseseitigen Ringraumkontur (R) zumindest näherungsweise axiale Geradenstücke sind, so dass die Öffnungen (3) der Nuten (2) in gleicher Weise axial verlaufen.

2. Verdichtergehäusestruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im axial mittleren Bereich der Nuten (2) ein ringförmiger, die Öffnungen (3) der Nu­ ten (2) teilweise versperrender Steg (11) angeordnet ist, dessen innerer Durch­ messer mit dem örtlichen Durchmesser der äußeren Ringraumkontur (R) über­ einstimmt.

3. Verdichtergehäusestruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (2) spanend durch Fräsen, insbesondere mittels Finger- oder Ku­ gelfräser, oder spanlos durch Gießen oder Funkenerosion gefertigt sind.

4. Verdichtergehäusestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Nutgrund (6) gerundet ist, oder zumindest die Übergänge von den Seitenwänden zum Nutgrund gerundet sind.

5. Verdichtergehäusestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra in den Nuten (2) 1,6 µm beträgt.

6. Verdichtergehäusestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Öffnungen (3) der Nuten (2), d. h. die Übergänge zur äußeren Ringraumkontur (R), scharfkantig ausgeführt sind.

7. Verdichtergehäusestruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuttiefe (T) - jeweils gerechnet von der Schnittlinie (S) der Mittelachsen (M, Mi, Mo) der Nutquerschnitte mit der äußeren Ringraumkontur (R) bis zur Mitte des Nutgrundes (6) - über die axiale Nutlänge konstant ist oder vom axial mittleren Nutbereich zum stromaufwärtigen und zum stromabwärtigen Nutende hin stufenlos abnimmt.