DE102008036294A1

DE102008036294A1 - Axialverdichter mit Verdichtergitter

Info

Publication number: DE102008036294A1
Application number: DE102008036294A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Selmeier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2010015241A3; WO2010015241A2

Abstract

Ein Axialverdichter umfaßt ein zwischen einem inneren und einem äußeren radialen Begrenzungsteil angeordnetes Schaufelgitter, das mehrere in Umfangsrichtung verteilte Schaufeln (10) aufweist. Wenigstens in einem der Begrenzungsteile sind Strömungskanäle (22) vorgesehen, die jeweils eine Strömung von der Druckseite (10a) zur Saugseite (10b) einer Schaufel (10) ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter, mit einem zwischen einem inneren und einem äußeren radialen Begrenzungsteil angeordneten Schaufelgitter, das mehrere in Umfangsrichtung verteilte Schaufeln aufweist.
Ein Axialverdichter in einem Strahltriebwerk (Gasturbine) weist in der Regel einen in einem Gehäuse (äußeres radiales Begrenzungsteil) drehbaren Rotor (Axialwelle) auf. Am Gehäuse sind relativ zum Rotor feststehende Leitgitter mit Leitschaufeln befestigt. Axial beabstandet zu den Leitgittern sind drehfest mit der Rotornabe (inneres radiales Begrenzungsteil) verbundene Laufgitter angeordnet.
Bei Axialverdichtern tritt im Betrieb neben der Hauptströmung, die zwischen den Schaufeln des Leit- bzw. Laufgitters hindurch verläuft, eine die Hauptströmung überlagernde, unerwünschte Sekundärströmung auf, die von der konkaven Druckseite einer Schaufel zur konvexen Saugseite einer benachbarten Schaufel verläuft, also quer zur Hauptströmrichtung. Die Sekundärströmung ist am stärksten an den radial inneren und äußeren Enden der Schaufeln (Schaufelfüße bzw. Schaufelspitzen) ausgeprägt. Die Sekundärströmung kann zu einer Eckenablösung an den Randbereichen der Schaufeln oder an der Nabe bzw. am Gehäuse führen, da in diesen Bereichen eine starke Strömungsverzögerung auftritt. Eine Strömungsbeschleunigung (Energetisierung) hingegen vermindert diesen Effekt. Eine Eckenablösung hat einen eingeschränkten Arbeitsbereich und erhöhte Druckverluste (verringerter Wirkungsgrad des Axialverdichters) zur Folge. Eine ausführliche Darstellung dieser Problematik findet sich z. B. in der Veröffentlichung ”Aeromechanische Gestaltung fortschrittlicher Triebwerksverdichter von R. Walther, J. Frischbier, R. Selmeier, MTU Aero Engines, München (http://www.mtu.de/de/technologies/engineering_news/11752.pdf) und in der Dissertation "Stabilität des stehenden Ringgitters" von I. Ulbricht, TU Berlin, 2002 (http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2002/314/pdf/ulbricht_iris.pdf).
Um bei Axialverdichtern die aerodynamisch besonders stark beaufschlagten Schaufelregionen zu entlasten ist es bekannt, den Schaufeln ein besonderes dreidimensionales Profil zu geben. Dadurch kann die Eckenablösung bei erhöhten Verlusten an der Arbeitslinie (Druckverhältnis/Durchsatz) verzögert werden. Insbesondere eine Kontur, bei der die Schaufel im Naben- und Gehäusebereich über die Saugseite in Umfangsrichtung gebogen ist (”bow”), ergibt für den Gehäuse- und Nabenbereich eine geringere Strömungsverzögerung und damit eine spürbare aerodynamische Entlastung. Eine Alternative ist der Einsatz sog. Wirbelgeneratoren, die gezielt an den kritischen Stellen Verwirbelungen erzeugen sollen, um dadurch einer Ablösung entgegenzuwirken. Die Herstellbarkeit bzw. Einsetzbarkeit in realen Maschinen ist allerdings bislang noch ungeklärt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Axialverdichter mit erweitertem Arbeitsbereich und möglichst geringen Druckverlusten zu schaffen. Insbesondere soll die Eckenablösung vermindert oder ganz unterdrückt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Axialverdichter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass wenigstens in einem der Begrenzungsteile Strömungskanäle vorgesehen sind, die jeweils eine Strömung von der Druckseite zur Saugseite einer Schaufel ermöglichen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Energetisierung der Grenzschicht und Absaugung energiearmen Fluids die Strömungsverhältnisse im Axialverdichter verbessert werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass unter Ausnutzung des Druckunterschieds zwischen Druck- und Saugseite der Schaufel Fluid von der Druckseite entnommen und auf der Saugseite ausgeblasen wird. Dies entspricht einer Kombination beider Effekte. Die Anordnung des Strömungskanals in einem Begrenzungsteil des Axialverdichters ist besonders vorteilhaft, weil je nach Art des Schaufelgitters (Lauf- oder Leitgitter) der radial äußere bzw. innere Randbereich der Schaufel aerodynamisch am stärksten belastet ist, so dass gerade dort einer Eckenablösung gezielt entgegengewirkt wird, ohne dass Veränderungen an den Schaufeln notwendig wären. Auf diese Weise wird der Arbeitsbereich der Beschaufelung des Axialverdichters erweitert, so dass für eine gegebene Druckumsetzung die Schaufelzahl verringert, die Sehnenlänge verkürzt oder ggf. eine Stufe (Lauf- bzw. Leitgitter) eingespart werden kann.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Axialverdichters sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht zweier Schaufeln eines Leitgitters in einem erfindungsgemäßen Axialverdichter;
2 eine schematische Seitenansicht der Schaufeln; und
3 eine schematische Draufsicht der Schaufeln.
Die Erfindung wird zunächst am Beispiel eines Leitgitters in einem Axialverdichter erläutert. In den 1 bis 3 sind beispielhaft nur zwei Schaufeln 10 des Leitgitters dargestellt. Die Schaufeln 10 sind in Umfangsrichtung verteilt über einen Innenring 12 miteinander verbunden. Weiterhin sind die Schaufeln 10 an ihren radial äußeren Enden mit einem Gehäuse 14 verbunden, so dass der Innenring 12 das radial innere Begrenzungsteil, das Gehäuse 14 das radial äußere Begrenzungsteil bildet (siehe 2). Wie bei Schaufelgittern üblich ist die Druckseite 10a der Schaufeln 10 konkav, die Saugseite 10b konvex geformt.
Bezogen auf die Darstellung in 3 trifft die Strömung im Axialverdichter von schräg links oben auf die Vorderkanten 18 der Schaufeln 10. Aufgrund der unterschiedlichen Formen der Druckseite 10a und Saugseite 10b jeder Schaufel 10 entsteht eine Druckdifferenz zwischen den beiden Schaufelseiten. Ebenso steigt der statische Druck in Strömungsrichtung an, was zum Anwachsen der Grenzschicht auf der Schaufeloberfläche und der Seitenwand führt. Da die konvexe Saugseite 10b einer Schaufel 10 länger als die konkave Druckseite 10a ist, tritt auf der Saugseite 10b eine stärkere Verzögerung der Strömung auf, insbesondere in der Nähe der Hinterkante 20 der Schaufel. Dieser Bereich ist daher am stärksten gefährdet.
Im Innenring 12 sind Strömungskanäle 22 ausgebildet, die von der Druckseite 10a zur Saugseite 10b der Schaufeln 10 führen und aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Schaufelseiten eine Strömung von der Druckseite 10a zur Saugseite 10b einer Schaufel 10 ermöglichen. Die Strömungskanäle 22, die in den 1 und 2 durch die Pfeile symbolisiert sind, befinden sich in axialer Richtung gesehen in der Nähe der Hinterkanten 20 der Schaufeln 10. In 3 sind symbolisch die Stellen der Einblasung (Fluidentnahmestellen) auf der Druckseite 10a der Schaufel 10 durch einen Kreis mit einem X und die Stellen der Ausblasung auf der Saugseite 10b der Schaufel 10 durch einen Kreis mit einem Punkt gekennzeichnet. Die Strömungskanäle 22 verändern somit die Strömungsverhältnisse dahingehend, dass der Druck auf der Saugseite 10b im Bereich der Hinterkante 20 der Schaufel 10 vom Innenring 12 her erhöht wird. Durch die Ausblasung wird dieser Bereich also „energetisiert”, wodurch das Ablöseverhalten der Grenzschicht dort positiv beeinflußt wird.
Im Falle eines Laufgitters können entsprechend angeordnete Strömungskanäle in der Rotornabe und/oder in einem die Schaufelspitzen verbindenden Deckband ausgebildet sein, welches in diesem Fall das äußere Begrenzungsteil darstellt.
Im Falle eines Leitgitters, bei dem die Schaufeln an das Gehäuse gekoppelt sind, befinden sich die Strömungskanäle in entsprechender Anordnung im Gehäuse 14 und/oder im Innenring 12.

10: Schaufeln
10a: Druckseite
10b: Saugseite
12: Innenring
14: Gehäuse
16: Ringraum
18: Vorderkante
20: Hinterkante
22: Strömungskanäle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. Walther, J. Frischbier, R. Selmeier, MTU Aero Engines, München (http://www.mtu.de/de/technologies/engineering_news/11752.pdf) [0003]
- ”Stabilität des stehenden Ringgitters” von I. Ulbricht, TU Berlin, 2002 (http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2002/314/pdf/ulbricht_iris.pdf) [0003]

Claims

Axialverdichter, mit einem zwischen einem inneren und einem äußeren radialen Begrenzungsteil angeordneten Schaufelgitter, das mehrere in Umfangsrichtung verteilte Schaufeln (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einem der Begrenzungsteile Strömungskanäle (22) vorgesehen sind, die jeweils eine Strömung von der Druckseite (10a) zur Saugseite (10b) einer Schaufel (10) ermöglichen.
Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (22) in der Nähe der Hinterkanten (20) der Schaufeln (10) angeordnet sind.
Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln drehfest an eine Rotornabe gekoppelte Laufschaufeln sind und Strömungskanäle in der Rotornabe ausgebildet sind.
Axialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln drehfest an eine Rotornabe gekoppelte Laufschaufeln sind und Strömungskanäle in einem die Schaufelspitzen verbindenden Deckband ausgebildet sind.
Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (10) fest an ein stationäres Gehäuse (14) gekoppelte Leitschaufeln sind und Strömungskanäle (22) im Gehäuse (14) und/oder in einem Innenring (12) gebildet sind.