DE102007056953A1

DE102007056953A1 - Strömungsarbeitsmaschine mit Ringkanalwandausnehmung

Info

Publication number: DE102007056953A1
Application number: DE200710056953
Authority: DE
Inventors: Erik Johann; Michael Hembera
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG; Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-28
Also published as: DE102007056953B4

Abstract

tsmaschine mit einem von einem Gehäuse 1 und einer rotierenden Welle 2 gebildeten Strömungspfad, in welchem Reihen von Schaufeln 3 angeordnet sind, wobei in einem Spitzenbereich der Schaufel 3 in einer Ringkanalwandung des Gehäuses 1 und/oder der Welle 2 zumindest eine ringnutartige Ausnehmung 4 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt und die Lage der Ausnehmung 4 wie folgt definiert sind: - Die axiale Anordnung ist so gewählt, dass sich eine Teillänge A der Ausnehmung 4 um max. 30% der Sehnenlänge einer Schaufel 3 vor deren Vorderkante aus gegen die Strömungsrichtung und bis max. 50% der Sehnenlänge der Schaufel 3 von deren Vorderkante aus in Strömungsrichtung erstreckt, - der Winkel beta der Eintrittsflanke der Ausnehmung 4 ist zwischen 30° und 180° zum Wandungsgehäuse 1 geneigt, - der Winkel alpha der Austrittsfläche der Ausnehmung 4 ist zwischen 20° und 70° zur Wandung des Gehäuses 1 geneigt, - die radiale Tiefe der Ausnehmung beträgt max. 50% der axialen Sehnenlänge der Schaufel 3, - der Winkel gamma der vorderen Fläche in Umfangsrichtung beträgt zwischen 30° und 60° und - der Winkel delta der Neigung der hinteren Fläche in Umfangsrichtung beträgt zwischen 30° und 60°.

Description

Die aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird insbesondere durch das Wachstum und die Ablösung von Grenzschichten im Rotor- und Statorspitzenbereich nahe der Gehäuse- beziehungsweise Nabenwand begrenzt. Dies führt bei Schaufelreihen mit Laufspalt bei höherer Belastung zu Rückströmerscheinungen und dem Auftreten von Instabilität der Maschine. Strömungsarbeitsmaschinen nach dem Stand der Technik besitzen entweder keine besonderen Merkmale zur Abhilfe in diesem Bereich (siehe 1) oder es werden als Gegenmaßnahme sogenannte "Casing Treatments" eingesetzt, die aus verschiedensten Konfigurationen aus Kammern und/oder eckigen Schlitzen, zumeist im Gehäuse über dem Rotor, bestehen.
Bekannte Lösungen werden beispielsweise in folgenden Dokumenten offenbart:
US 2005/0226717 A1 (Flow Control Arrangement)
DE 101 35 003 C1 (Verdichtergehäusestruktur)
DE 103 30 084 A1 (Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf Strömungsarbeitsmaschinen wie etwa Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren, sowohl in axialer, halbaxialer als auch in radialer Bauart. Das Arbeitsmedium oder Fluid kann gasförmig oder flüssig sein.
Die erfindungsgemäße Strömungsarbeitsmaschine kann eine oder mehrere Stufen mit jeweils einem Rotor und einem Stator umfassen.
Erfindungsgemäß besteht der Rotor aus einer Anzahl von Schaufeln, die mit der rotierenden Welle der Strömungsarbeitsmaschine verbunden sind und Energie an das Arbeitsmedium abgeben. Der Rotor ist mit freiem Schaufelende am Gehäuse ausgeführt. Der erfindungsgemäße Stator besteht aus einer Anzahl feststehender Schaufeln, die gehäuseseitig mit festem Schaufelende ausgeführt sind.
Erfindungsgemäß kann die Strömungsarbeitsmaschine vor dem ersten Rotor eine besondere Form eines Stators, ein sogenanntes Vorleitrad, aufweisen.
Erfindungsgemäß kann mindestens ein Stator oder Vorleitrad abweichend von der unbeweglichen Fixierung auch drehbar gelagert sein, um den Anströmwinkel zu verändern. Eine Verstellung erfolgt beispielsweise durch eine von außerhalb des Ringkanals zugängliche Spindel.
In besonderer Ausgestaltung kann die Strömungsarbeitsmaschine mindestens eine Reihe verstellbarer Rotoren aufweisen.
Erfindungsgemäß kann die Strömungsarbeitsmaschine alternativ auch eine Nebenstromkonfiguration derart aufweisen, dass sich der einstromige Ringkanal hinter einer bestimmten Schaufelreihe in zwei konzentrische Ringkanäle aufteilt, die ihrerseits mindestens jeweils eine weitere Schaufelreihe umfassen. 2 zeigt Beispiele erfindungsgemäß relevanter Strömungsarbeitsmaschinen.
Einfache existierende Konzepte von "Casing Treatments" in Form von Schlitzen und/oder Kammern in der Ringkanalwand bieten eine Steigerung der Stabilität der Strömungsarbeitsmaschine. Diese wird jedoch aufgrund der ungünstig gewählten Anordnung oder Formgebung nur bei Verlust an Wirkungsgrad erzielt.
Im Einzelnen betrifft die Erfindung die Form eines Abschnitts der Ringkanalwand sowie die Anordnung und Formgebung von Ausnehmungen in besagtem Ringkanalwandabschnitt im Bereich einer Schaufelreihe mit freiem Ende und Laufspalt einer Strömungsarbeitsmaschine.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsarbeitsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine wirkungsvolle Grenzschichtbeeinflussung im Schaufelspitzenbereich aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit eine Möglichkeit geschaffen worden, die Strömungsbeeinflussung mit Hilfe der Gehäusestrukturierung durch Verbesserung der Strömungsrandbedingungen der Gehäusestrukturierung zu optimieren. Erfindungsgemäß ist somit eine angepasste Formgebung der Umfangsnuten hinsichtlich ihrer axialen Lage über dem Rotor erreicht. Die Nuten haben entsprechende Querschnitte und können erfindungsgemäß somit geometrisch einfache als auch geometrisch komplexe Freiformflächen sein.
Die erfindungsgemäße Gehäusestrukturierung (Casing Treatment) kann sowohl mit fester, gleichbleibender Geometrie als auch mit adaptiver, zeitlich veränderlicher Geometrie ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine Verbesserung des Wirkungsgrades, der aus dem Stand der Technik bekannte Wirkungsgradverlust tritt nicht auf.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gehäusestrukturierung (Ringkanalwandausnehmung) wird eine optimale Strömung in der Umfangsnut (Ringkanalwandausnehmung), insbesondere in Abhängigkeit der axialen Länge, sowie eine optimale Wechselwirkung mit der Hauptströmung erreicht.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der geneigten Form (gegen die Strömungsrichtung der Gasturbine). Durch die nach vorne geneigte Form, welche beispielsweise mit einem Winkel von 45° angeordnet sein kann, wird in dem nach radial innen zulaufenden Gehäuse vermieden, dass in die Zirkulation im Casing Treatment (Ringkanalwandausnehmung) störendes Fluid eintritt. Gleichzeitig wird der Ausströmvektor flacher, so dass sich eine verlustärmere Einströmung ergibt. Somit wird erfindungsgemäß neben der Stabilität der Stufe auch der Wirkungsgrad verbessert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1–3 typische Ausgestaltungsformen der Umfangsnuten gemäß dem Stand der Technik,
4–10 Darstellungen zur Geometriedefinition,
11–13 Varianten unterschiedlicher erfindungsgemäßer Ausgestaltungsformen, und
14–22 erfindungsgemäße Ausgestaltungsformen der Erfindung.
Die 1 zeigt aus dem Stand der Technik bekannte Umfangsnuten (ringförmige Ausnehmungen 4), welche zentrisch und zueinander parallel in einem Gehäuse 1 angeordnet sind und jeweils eine gleichbleibende Dicke und Breite aufweisen. Angrenzend an die Ausnehmungen 4 ist erfindungsgemäß eine Schaufel 3 angeordnet, welche relativ zu dem Gehäuse 1 rotiert. Die Schaufel 3 ist mit einer schematisch dargestellten Welle 2 verbunden, deren Mittelachse das Bezugszeichen 5 trägt.
Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 4 zeigt die Zuordnung der axialen Position Z der Ausnehmung 4, die 5 zeigt die radiale Tiefe R, bezogen auf die Mittelachse (Drehachse) 5. Die 6 zeigt die Definition der Umfangsneigung θ. Aus der 7 ist die Tiefe der Nut, bezogen auf die Oberfläche des Gehäuses 1 mit T dargestellt, die 8 zeigt die axiale Breite B der Ausnehmung 4 (Ringnut). Die Neigung in axialer Richtung der Ausnehmung 4 ist in 9 dargestellt, die Vorderkante ist um den Winkel α geneigt, während die Hinterkante um den Winkel β geneigt ist. Die Begriffe Vorderkante und Hinterkante beziehen sich jeweils auf die Strömungsrichtung, welche in den Darstellungen von links nach rechts erfolgt. Die 10 zeigt den Abstand A zweier benachbarter Ausnehmungen 4.
Die 11–13 zeigen erfindungsgemäße Ausgestaltungsvarianten, aus welchen ersichtlich ist, dass die Ausnehmungen 4 sowohl nach vorne (gegen die Strömungsrichtung) geneigt sein können, als auch mit variierender Tiefe versehen sein können (12). Weiterhin ist erfindungsgemäß möglich, die Ausnehmungen 4 um den Umfang verlaufend unterschiedlich breit auszugestalten und/oder in axialer Richtung zu variieren.
Die 14 zeigt einen ersten Aspekt der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, aus welchem sich mit A die maximale axiale Sehnenlänge vor der Vorderkante der Schaufel 3 ergibt. B zeigt die axiale Sehnenlänge in Strömungsrichtung. A beträgt bevorzugterweise maximal 30% der axialen Sehnenlänge, während B bevorzugterweise maximal 50% der axialen Sehnenlänge, bevorzugterweise 30% der axialen Sehnenlänge beträgt. Hieraus ergibt sich eine maximale Länge der Ausnehmung 4 von ca. 80% der axialen Sehnenlänge, bevorzugterweise von 50%.
Die 15 zeigt die erfindungsgemäß bevorzugte Tiefe der Ausnehmung 4, welche maximal 50° der axialen Sehnenlänge betragen sollte. Ein bevorzugter Wert liegt bei 35%.
Die 16 zeigt die Zuordnung des Winkels in Umfangsrichtung (Rotationsrichtung). Der Winkel γ der vorderen Flächen beträgt bevorzugterweise zwischen 30° und 60°, der Winkel δ der hinteren Fläche zwischen 30° und 60°. Die beiden Winkel können erfindungsgemäß gleich oder auch in axialer und radialer Richtung gesehen, unterschiedlich und sich innerhalb einer Nut ändernd ausgebildet sein. Im letzten Falle führt dies zu einer radialen und axialen Biegung der Kontur. Die obere Begrenzung der Ausnehmung 4 (radial außen) kann mit einer scharfen Kante oder als Rundung ausgeführt sein.
Die in 16 gezeigten Winkel γ und δ können sich in Strömungsrichtung verändern, wobei die Änderung der Winkel erfindungsgemäß voneinander unabhängig sein kann. Der Winkel γ, der die Gesamtneigung bzw. Außenneigung der Ausnehmung 4 bestimmt, kann dabei entsprechend variiert werden.
Die 17 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Form der Ausnehmung 4, ähnlich einer halben Herzform (die strichlierte Linie verdeutlicht die gesamte Herzform). Der Konturverlauf der Ausnehmung 4 ist bevorzugterweise mathematisch stetig und/oder differenzierbar.
Die in 17 gezeigte halbe Herzform wird bestimmt durch die beiden Winkelschenkel der Winkel α und β, siehe auch 20. Wie in 20 dargestellt, spannen die beiden Winkelschenkel der Winkel α und β den Anfangsbereich bzw. Endbereich der durch die halbe Herzform vorgegebenen Querschnittskurve auf. Dabei sind die Winkelschenkel, wie in 20 dargestellt, tangential zu dem anfangsseitigen bzw. endseitigen Kurvenverlauf angeordnet (siehe gestrichelte Linien in 17).
Der weitere Verlauf der Kurve (halbe Herzform) ist so gewählt, dass er stetig ist und damit zweimal differenzierbar. Somit entstehen keine Krümmungssprünge. Die Winkel α und β werden gemäß den An- und Abströmbedingungen des Rotors gewählt.
Der weitere Kurvenverlauf der halben Herzform kann beispielsweise durch B-Splines und/oder Bèzier-Kurven definiert werden. Es handelt sich um eine Kardioide, bei welcher zusätzlich noch eine Rotation um eine Achse (Koordinatentransformation) durchgeführt wurde.
Aus 18 ergibt sich der erfindungsgemäß bevorzugte Deckungsgrad, welcher definiert wird als das Verhältnis der offenen Fläche, gebildet durch die Ausnehmungen 4, zu der insgesamt in axialer Richtung (Umfangsrichtung) begrenzten Fläche, innerhalb welcher die Ausnehmungen 4 angeordnet sind. Die Überdeckung ist bevorzugterweise kleiner als 50%, in bevorzugter Ausgestaltung bei 30%.
Die 18 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher pro Schaufelteilung (Abstand zweier benachbarter Schaufeln) eine Nut oder Ausnehmung 4 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, weniger Ausnehmungen 4 vorzusehen, beispielsweise eine Nut oder Ausnehmung 4 für zwei Schaufelpassagen bzw. drei Schaufeln. Es kann sich somit ergeben, dass am Umfang des Gehäuses beispielsweise nur acht bis zehn Ausnehmungen 4 oder Nuten ausgebildet sind.
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass es erfindungsgemäß nicht erforderlich ist, die Nuten oder Ausnehmungen 4 gleichmäßig am Umfang zu verteilen. Diese können vielmehr auch ungleichmäßig und voneinander unabhängig verteilt sein.
Die 19 zeigt den erfindungsgemäß vorgesehenen Staffelungswinkel. Der Winkel ε liegt in einem Bereich von +30° bis –30°, bevorzugterweise bei 0°. Die gleichen Werte ergeben sich für den Winkel ζ. Die Winkel können erfindungsgemäß entweder gleich sein oder sich in axialer oder radialer Richtung innerhalb der Ringnut (Ausnehmung 4) ändern. Hierdurch ergibt sich eine axiale und radiale Biegung der Ringnut 4.
Die 20 zeigt die erfindungsgemäße Zuordnung der Winkel der Eintritts- und Austrittsflanken. Der Austrittswinkel α beträgt bevorzugterweise zwischen 20° und 70°, der Eintrittswinkel β zwischen 30° und 80°. Die beiden Winkel α und β können erfindungsgemäß gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein und können sich auch, in Umfangsrichtung gesehen, innerhalb der Ausnehmung 4 (Ringkanalwandnut) ändern.
Die 21 zeigt den Abstand der einzelnen Ausnehmungen 4 voneinander. Der Abstand C kann am Umfang gleich sein, er kann auch variiert werden. Außerdem kann er sich in radialer und/oder axialer Richtung ändern, wobei insgesamt der oben genannte Überdeckungsgrad erzielt werden muss.
Die 22 zeigt die erfindungsgemäß vorgesehene Breite der Nuten, welche erfindungsgemäß maximal 15% des Abstands von einem Rotor zum nächsten beträgt und sich in Abhängigkeit von der radialen Position und der axialen Position verändern kann.
Die Grundform der Ausnehmungen kann erfindungsgemäß eckig, rund oder oval sein, sie kann auch mit radialer Ausdehnung variieren.
Weiterhin können erfindungsgemäß die einzelnen Ausnehmungen gleich dimensioniert sein oder sich im Rahmen der oben genannten Parameter unterscheiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0226717 A1 [0002]
- DE 10135003 C1 [0002]
- DE 10330084 A1 [0002]

Claims

Strömungsarbeitsmaschine mit einem von einem Gehäuse (1) und einer rotierenden Welle (2) gebildeten Strömungspfad, in welchem Reihen von Schaufeln (3) angeordnet sind, wobei in einem Spitzenbereich der Schaufel (3) in einer Ringkanalwandung des Gehäuses (1) und/oder der Welle (2) zumindest eine ringnutartige Ausnehmung (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt und die Lage der Ausnehmung (4) wie folgt definiert sind: – die axiale Anordnung ist so gewählt, dass sich eine Teillänge (A) der Ausnehmung (4) um max. 30% der Sehnenlänge einer Schaufel (3) vor deren Vorderkante aus gegen die Strömungsrichtung und bis max. 50% der Sehnenlänge der Schaufel (3) von deren Vorderkante aus in Strömungsrichtung erstreckt, – der Winkel (β) der Eintrittsflanke der Ausnehmung (4) ist zwischen 30° und 80° zum Wandungsgehäuse (1) geneigt, – der Winkel (α) der Austrittsfläche der Ausnehmung (4) ist zwischen 20° und 70° zur Wandung des Gehäuses (1) geneigt, – die radiale Tiefe der Ausnehmung beträgt max. 50% der axialen Sehnenlänge der Schaufel (3), – der Winkel (γ) der vorderen Fläche in Umfangsrichtung beträgt zwischen 30° und 60°, und – der Winkel (δ) der Neigung der hinteren Fläche in Umfangsrichtung beträgt zwischen 30° und 60°, und dass die Ausnehmung (4) im Querschnitt einer halbierten Herzform angenähert ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmung (4) 35% der axialen Sehnenlänge der Schaufel beträgt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdeckungsgrad, welcher das Verhältnis der offenen Bereiche der Ausnehmungen (4) zu dem in Umfangsrichtung von den Ausnehmungen (4) begrenzten Bereich kleiner als 50% ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdeckungsgrad, welcher das Verhältnis der offenen Bereiche der Ausnehmungen (4) zu dem in Umfangsrichtung von den Ausnehmungen (4) begrenzten Bereich kleiner als 30% ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Staffelungswinkel (ε) der Vorderkante der Ausnehmung (4) in Axialrichtung zwischen +30° und –30° beträgt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Staffelungswinkel (ζ) der Hinterkante der Ausnehmung (4) in Axialrichtung zwischen +30° und –30° beträgt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (D) der Ausnehmung (4) max. 15% des Abstands von einem Rotor zum nächsten beträgt.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform der Ausnehmung im Querschnitt eckig ausgebildet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform der Ausnehmung im Querschnitt rund ausgebildet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform der Ausnehmung im Querschnitt oval ausgebildet ist.
Strömungsarbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Ausnehmung (4) variabel und/oder zeitlich veränderbar ist.