DE102006060694A1

DE102006060694A1 - Rotor- und Statorschaufel-Anordnung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE102006060694A1
Application number: DE102006060694A
Authority: DE
Inventors: Erik Johann
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: DE102006060694B4

Abstract

Bei einem Gasturbinentriebwerk ist für im "cut-on"- und "cut-off"-Design ausgebildete Fan- oder Kompressorstufen ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Anzahl der Statorschaufeln und der Rotorschaufeln vorgesehen, um die Bildung überlagerter Druckfelder und damit den Geräuschpegel und die Schaufelbelastung zu vermindern. Im "cut-off"-Design beträgt die Anzahl der Statorschaufeln der zweifachen Rotie größer als fünf ist. Im "cut-on"-Design ist die Statorschaufelzahl gleich der Rotorschaufelzahl plus einer ungeraden Schaufelzahl, die größer als fünf ist. Neben der Ausbildung der Fanstufe kann das vorgeschlagene Schaufelverhältnis vorteilhaft auch bei mehrstufigen Verdichtern mit geclockter Schaufelanordnung angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotor- und Statorschaufel-Anordnung für die Fan-Verdichterstufe und/oder mehrstufige Verdichter eines Gasturbinentriebwerks, die auf der Basis der jeweiligen Schaufelzahl in „cut-off"-Bauweise oder in „cut-on"-Bauweise ausgebildet sind.
In einem Gasturbinentriebwerk werden durch vom Fan und von den Kompressoren komprimierte Luft starke Geräusche erzeugt, die insbesondere in der Start- und Landephase des Flugzeugs eine erhebliche Lärmbelästigung darstellen. Die mit einer bestimmten Drehgeschwindigkeit rotierenden Rotorschaufeln bewirken eine Schwingungsfrequenz (BPF: blade passing frequency), die das Produkt aus der Drehgeschwindigkeit und der Anzahl der Rotorschaufeln ist. Die zwischen den Rotorschaufeln und den Statorschaufeln sowie in dem diese umgebenden Gehäuse kanalisierte Luft erzeugt ein Geräusch, das bekanntermaßen rotierende Druckfelder umfasst, die durch die Drehbewegung der Rotorschaufeln und die Interaktion der Rotorschaufeln mit den benachbarten Statorschaufeln verursacht wird.
Um den in der Fanstufe verursachten Lärm beim Starten und Landen zu vermindern, ist es bekannt, wahlweise die Anzahl der Leitschaufeln im Verhältnis zu den Rotorschaufeln, vorzugsweise den Abstand zwischen den Rotorschaufeln und den Statorschaufeln, zu bestimmen und an der Innenwand des die Schaufeln umgebenden Gehäuses lärmdämmende Mittel vorzusehen. Gemäß einer in der US-5 169 922 beschriebenen Rotorschaufel-/Statorschaufel-Anordnung wird die Anzahl der Statorschaufeln für eine vorbestimmte Anzahl von Rotorschaufeln zur Erzielung im wesentlichen gleicher Werte des Grenzfrequenzverhältnisses für mindestens zwei Blade-Passing-Frequenzen (BPF) ausgewählt, um die in der Fanstufe erzeugten Geräusche zu reduzieren.
Beim sogenannten „cut-off"-Design ist die Anzahl der den Rotorschaufeln nachgeordneten Statorschaufeln mehr als doppelt so hoch wie die Anzahl der Rotorschaufeln. Bei einer derartigen Schaufelanordnung in der Fanverdichterstufe ist gegenüber dem sogenannten „cut-on"-Design, bei dem die Leitschaufelzahl gleich oder kleiner als das Zweifache der Rotorschaufelzahl ist, die Rückwirkung auf die Rotorschaufeln vergleichsweise gering. Schwingungen, instationäre Ablösungen und der Geräuschpegel werden reduziert. Der Fan läuft zudem ruhiger und hat eine längere Lebensdauer.
Trotz Anwendung der bisher bekannten Maßnahmen zur Geräuschminderung, denen ein durch das „cut-off"-Design bestimmtes Verhältnis zwischen der Anzahl der Rotor- und der Statorschaufeln in Abhängigkeit vom akustischen Verhalten und der Anregung der Schaufeln zugrunde liegt, ist die insbesondere beim Starten und Landen von Flugzeugen durch Flugtriebwerke verursachte Lärmbelästigung immer noch hoch.
In der Hoch- und Mitteldruckstufe der Triebwerkskompressoren ist im „cut-on"-Design eine sogenannte „geclockte" Anordnung möglich, bei der benachbarte Rotoranordnungen und benachbarte Statoranordnungen jeweils die gleiche Schaufelzahl aufweisen, aber versetzt zueinander angeordnet sind. Aufgrund des „cut-on"-Schaufelverhältnisses ist der Anteil harmonischer Frequenzen und damit der Lärmpegel relativ hoch, spielt aber innerhalb des Verdichtergehäuses noch eine untergeordnete Rolle. Die zuvor erwähnte geclockte Anordnung bietet Vorteile in der Auslegung und kann zu einem höheren Wirkungsgrad führen. Der Nachteil dieser Anordnung ist, dass harmonische Frequenzen und Druckfelder zu einer starken Schaufelwechselwirkung und damit zu einem starken Anfachen der Schaufelschwingungen führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotor- und Statorschaufel-Anordnung für den Fan und die Kompressoren eines Gasturbinentriebwerks anzugeben, die in der Fanstufe in „cut-on"-Bauweise eine verminderte Schaufelzahl und in „cut-off"-Bauweise eine Reduzierung des Lärmpegels und der aerodynamischen Verluste gewährleistet sowie aufgrund verminderter Schaufelwechselwirkung ein robustes Design schafft.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Rotorschaufel-/Statorschaufel-Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es wurde gefunden, dass es in dem zwischen den Rotorschaufeln und den Statorschaufeln vorhandenen Raum zur Ausbildung von überlagerten Druckfeldern als Ursache für einen hohen Geräuschpegel und eine hohe Schaufelbelastung kommt. Gemäß der Erfindung wird das Verhältnis der Statorschaufelanzahl zur Rotorschaufelanzahl so gewählt, dass die jeweiligen Schaufelzahlen kein gemeinsames Teilungsverhältnis aufweisen, das heißt, nicht durch ein und dieselbe Zahl teilbar sind und mithin die Vorderkanten der Rotorschaufeln und der Statorschaufeln nicht in einer Flucht liegen können. In der für die Senkung des Ge räuschpegels vorteilhaften „cut-off"-Bauweise beträgt die Statorschaufelzahl das Zweifache der Rotorschaufelzahl plus einer ungeraden Schaufelzahl, die größer als fünf ist und vorzugsweise eine Primzahl ist. In der „cut-on"-Bauweise überschreitet die Anzahl der Statorschaufeln die Zahl an Rotorschaufeln um eine ungerade Schaufelzahl, die größer als fünf ist und vorzugsweise eine Primzahl ist.
Mit dem im „cut-off"-Design vorgesehenen Schaufelverhältnis können die in der Fanstufe erzeugten Geräusche deutlich verringert werden.
Überlagerte Druckfelder im Schaufelzwischenraum zwischen Rotor- und Statorschaufeln verstärken die hinterkanteninduzierte Strömungsablösung. Dadurch entstehen bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen höhere aerodynamische Verluste, die wiederum zu einer Verstärkung der Schaufelschwingen führen können. Das gewählte Schaufelverhältnis für eine Fanstufe im „cut-on"-Design vermindert die Schaufelbelastung und Schaufelschwingungen, so dass die Verluste verringert werden und die Lebensdauer erhöht wird.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Schaufelverhältnis auch bei mehrstufigen Verdichtern eingesetzt werden, und zwar insbesondere bei Kompressoren mit nur im „cut-on"-Design möglicher geclockter Schaufelanordnung. Durch die Vermeidung überlagerter Druckfelder kann das Clocking-Konzept erfolgreich umgesetzt werden
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist schematisch ein Gasturbinentriebwerk mit einer in „cut-off"-Bauweise gefertigten Fanstufe und einem in Clocking-Anordnung und „cut-on"-Bauweise erstellten Hochdruckkompressor dargestellt.
Die Fanstufe umfasst den von der Niederdruckwelle 1 angetriebenen Fan 2 mit mehreren am Außenumfang eines Rotors in gleichmäßigem Abstand angebrachten Rotorschaufeln 3 sowie ein stromab im Abstand angeordnetes Luftleitgitter 4, bestehend aus mehreren Statorschaufeln 5. Die Fanstufe ist in „cut-off"-Bauweise ausgebildet und weist eine Statorschaufelzahl N_SF auf, die den zweifachen Wert der Rotorschaufelzahl N_RF überschreitet. Aufgrund eines durch diese Bauweise bedingten geringen Anteils harmonischer Frequenzen ist die Fanstufe bereits lärmreduzierend konzipiert, jedoch ist der Geräuschpegel auch unter diesen Bedingungen immer noch hoch.
Es wurde gefunden, dass sich in dem zwischen dem Fan 2 und dem Luftleitgitter 4 vorhandenen Raum 6 überlagerte Druckfelder aufbauen, die bei der Interaktion mit den Rotorschaufeln 3 für die starke Geräuschbildung und eine erhöhte Belastung der Rotorschaufeln 3 verantwortlich sind. Zur Vermeidung der Ausbildung auf den Fan 2 zurückwirkender überlagerter Druckfelder und der damit verbundenen erhöhten Lärmbelästigung und Schaufelbelastung beträgt die Anzahl N_SFcut-off der Statorschaufeln 5 hier jedoch das Zweifache der Rotorschaufelzahl N_RFcut-off plus einer ungeraden Schaufelzahl k, vorzugsweise einer Primzahl, die größer als fünf ist. Das heißt, NSFcut-off = 2 × NRFcut-off + k
Der Wert der Zahl k beträgt 7, 9, 11, 13, 15, 17 usw.. In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform hat der Fan 24 Rotorschaufeln 3 und das auf den Fan 2 folgende Leitschaufelgitter 4 ist mit N_Sfcut-off = 2 × 24 + 7 = 55 Statorschaufeln 5 ausgebildet. Bei einem solchen Verhältnis der Schaufelzahlen von – hier beispielsweise – 24:55, die kein gemeinsames Teilungsverhältnis aufweisen (d. h., nicht durch ein und dieselbe Zahl teilbar sind) und bei dem die Vorderkanten der Rotor- und der Statorschaufeln in keinem Fall in einer Flucht liegen, können sich periodisch überlagerte Druckfelder nicht ausbilden.
In dem in der Zeichnung wiedergegebenen Triebwerk ist auch ein Kompressor 7 mit Rotorschaufeln 8 und Statorschaufeln 9 in Clocking-Anordnung dargestellt, bei der die Schaufelzahlen der aufeinander folgenden Rotorschaufelringe 8.1, 8.2 und Statorschaufelringe 9.1, 9.2 jeweils übereinstimmen und die Schaufelanordnung zudem in „cut-on"-Bauweise (Leitschaufelzahl ist kleiner oder gleich der Rotorschaufelzahl, harmonische Frequenzen zwischen Rotor- und Statorschaufeln: relativ hoher Lärmpegel) ausgeführt sein muss. Die Anzahl der in dem Schaufelverband auf die Rotorschaufeln 8 folgenden Statorschaufeln 9 ist im „cut-on"-Design gleich oder kleiner als der zweifache Wert der Rotorschaufelzahl. In diesem Fall, das heißt, dem „cut-on"-Design, wird das Schaufelzahlverhältnis zwischen Statorschaufeln 9 und Rotorschaufeln 8 so gewählt, dass die Statorschaufelzahl N_Scut-on gleich der Rotorschaufelzahl N_Rcut-on plus einer ungeraden Zahl k größer als 5 ist: NScut-on = NRcut-on + k wobei k = 7, 9, 11, 13 usw..
Ein derartiges Schaufelverhältnis beim „cut-on"-Design ist insbesondere bei der Clocking-Anordnung von Vorteil, weil die Ausbildung überlagerter Druckfelder verhindert und mithin die beim Clocking auftretende hohe Schaufelbelastung und die daraus resultierenden hohen Verluste verringert werden.
Selbstverständlich kann das für die „cut-on"-Bauweise des Kompressors 7 in Clocking-Anordnung aufgestellte Schaufelverhältnis auch bei einer Fan-Stufe 2, 4 im „cut-on"-Design angewendet werden, wobei dann jedoch vorzugsweise die Belastung der Schaufeln und weniger der Lärmpegel verringert wird. Andererseits kann das für das „cut-off"-Design vorgeschlagene Schaufelverhältnis auch bei Kompressoren in „cut-off"-Bauweise ohne Clocking-Anordnung eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Verminderung des Geräuschpegels eine derzeit noch nicht relevant ist.

1: Niederdruckwelle
2: Fan
3: Rotorschaufeln, Fanschaufeln
4: Luftleitgitter
5: Statorschaufeln v. 4
6: Raum zwischen Rotor- und Statorschaufeln
7: Kompressor
8: Rotorschaufeln v. 7
9: Statorschaufeln v. 7
8.1: Rotorschaufelring v. 7 (clocking-Anordnung)
8.2: Rotorschaufelring v. 7 (clocking-Anordnung)
9.1: Statorschaufelring v. 7 (clocking-Anordnung)
9.2: Statorschaufelring v. 7 (clocking-Anordnung)

Claims

Rotor- und Statorschaufel-Anordnung für die Fanverdichterstufe und/oder mehrstufige Verdichter eines Gasturbinentriebwerks, die auf der Basis der jeweiligen Schaufelzahl in „cut-off"-Bauweise oder in „cut-on"-Bauweise ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung der Ausbildung überlagerter Druckfelder in dem zwischen Rotor- und Statorschaufeln (3, 5; 8, 9) vorhandenen Raum die Rotorschaufelzahl (N_R) und die Statorschaufelzahl (N_S) in derselben Verdichterstufe kein gemeinsames Teilungsverhältnis aufweisen und daher die Rotorschaufelvorderkanten mit den Statorschaufelvorderkanten nicht in einer Flucht liegen, wobei in der „cut-off"-Bauweise die Anzahl (N_S) der Statorschaufeln dem zweifachen Wert der Rotorschaufelzahl (N_R) plus einer ungeraden Zahl „k" größer als fünf entspricht und in der „cut-on"-Bauweise die Anzahl (N_S) der Statorschaufeln der Anzahl (N_R) der Rotorschaufeln plus einer ungeraden Zahl „k" größer als 5 entspricht.
Rotor- und Statorschaufel-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl „k" eine Primzahl ist.
Rotor- und Statorschaufel-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrstufigen Verdichtern eine Rotor/Rotor- und/oder eine Stator/Stator-Clockingbauweise vorgesehen ist.