DE1168599B

DE1168599B - Axial compressor

Info

Publication number: DE1168599B
Application number: DEU2463A
Authority: DE
Inventors: Carl Richard Soderberg Jun; Philip Martsolf Jun; Walter Doll Jun
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1953-10-29
Filing date: 1953-10-29
Publication date: 1964-04-23

Description

Axialverdichter Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter mit Lauf- und/oder Leitschaufeln, die einen im Bereich der Wandflächen geänderten Querschnitt zur Kompensation der durch diese Wandflächen bewirkten Strömungsbeeinflussung ausweisen.Axial Compressor The invention relates to an axial compressor with moving and / or guide vanes that changed one in the area of the wall surfaces Cross-section to compensate for the flow effects caused by these wall surfaces identify.

In einer Strömungsmaschine zur Umwandlung von kinetischer Energie in Druckanstieg bestehen infolge der Reibung längs der Wände des Durchflußkanals immer Abweichungen von den idealen Entwurfsbedingungen. Der Wirkungsgrad nimmt ab, und es entstehen Änderungen der Strömungsverteilung, welche sich in den hintereinanderliegenden Schaufelreihen nachteilig auswirken können. Bei Flugzeug-Gasturbinentriebwerken, bei denen maximale Kornpression pro Stufe, hoher Wirkungsgrad und weiter Betriebsbereich erforderlich sind, sind die Konstruktions- und Betriebsbegrenzungen, die durch Wandreibung und Grenzschicht bestehen, sehr schwerwiegend.In a turbo machine for converting kinetic energy exist in pressure increase due to the friction along the walls of the flow channel always deviations from the ideal design conditions. The efficiency decreases and there are changes in the flow distribution, which are reflected in the one behind the other Rows of blades can have a detrimental effect. In aircraft gas turbine engines, where maximum compression per stage, high efficiency and wide operating range Required are the design and operational limitations imposed by wall friction and boundary layer exist, very serious.

Es ist bekannt, die Wirkung der Wandreibung auf die Strömung dadurch zu vermindern, daß der Eintrittswinkel der Schaufeln entsprechend an die geänderten Strömungsbedingungen angepaßt wird. Durch diese bekannte Maßnahme werden jedoch lediglich die durch Auftreten von Diskontinuität der Strömung im Bereich der Wandflächen beim Schaufeleintritt bewirkten Mängel ausgeglichen. Ein A ' usgleich der durch den Einfluß der Wandreibung auftretenden direkten Geschwindigkeitsverluste und damit Leistungsverluste erfolgt bei dieser bekannten Einrichtung nicht.It is known that the effect of wall friction on the flow can be reduced by adapting the inlet angle of the blades to the changed flow conditions. However, this known measure only compensates for the deficiencies caused by the occurrence of discontinuity in the flow in the area of the wall surfaces at the blade inlet. A A 'usgleich of occurring by the influence of wall friction losses direct speed and thus power loss does not take place in this known device.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die Änderung der Schaufelforin im Bereich der Wandflächen so durchzuführen, daß der durch die Wandreibung auftretende Geschwindigkeitsverlust möglichst weitgehend ausgeglichen wird. Gemäß der Erfindung wird dadurch erreicht, daß die Schaufelkrümmung im Querschnitt im Bereich der Wandflächen an den Austrittskanten der Schaufeln so gegenüber dem normalen Querschnitt geändert ist, daß der Strömung im Bereich der Wandflächen eine gegenüber dem Nonnalbereich erhöhte Geschwindigkeitskomponente übertragen wird.It is the object of the invention to change the Carry out Schaufelforin in the area of the wall surfaces so that the wall friction any loss of speed that occurs is compensated for as much as possible. According to the invention is achieved in that the blade curvature in cross section Area of the wall surfaces at the trailing edges of the blades so compared to the normal Cross-section is changed so that the flow in the area of the wall surfaces is opposite increased speed component is transmitted to the normal range.

Versuche an einer Anzahl einzelnerAxialströmungskompressorstufen sowie an mehrstufigen Kompressoreinheiten, die abgeänderte Schaufeln nach den Grundsätzen der Erfindung benutzen, ergaben wesentliche Leistungsverbesserung gegenüber entsprechenden in bekannter Weise ausgebildeten Teilen. Ausführliche Erprobungsversuche zeigten auch verbesserte Geschwindigkeitsverteilung und Leistung in den den abgeänderten Stufen folgenden Stufen. Eine vorhergehende Untersuchung eines Zentrifugalströmungskompressors mit in gleicher Weise abgeänderten Einlaßleitschaufelblättern zeigte, daß dieser Grundsatg auch bei solchen Kompressoren mit Erfolg angewandt werden kann.Attempts at a number of individual axial flow compressor stages as well on multi-stage compressor units, the modified blades according to the principles using the invention gave substantial performance improvements over corresponding ones parts formed in a known manner. Extensive trials showed also improved speed distribution and performance in the modified ones Levels following levels. A previous study of a centrifugal flow compressor with inlet guide vanes modified in the same way showed that this Grundsatg can also be used successfully with such compressors.

Vorzugsweise ist der an die Wandung angrenzende Abschnitt der Schaufel in bezug auf die restliche Schaufellänge stärker gekrümmt. Dabei ist bei Laufschaufeln vorzugsweise der äußere E * ndteil und/oder bei Leitschaufeln der innere Endteil stark gekrümmL Es können aber au.ch beide Endteile jeder Leitschaufel stark gekrümmt sein.The section of the blade adjoining the wall is preferably more curved with respect to the remaining blade length. It is at the outer blades preferably E * ndteil and / or strongly gekrümmL with guide vanes of the inner end part but can au.ch both end portions of each guide vane to be strongly bent.

Wenn im Verdichter längs des Gasströmungsweges vor den Lauf- und Leitschaufeln Eintrittsleitschaufeln angeordnet sind, sind vorzugsweise einige oder alle an den Windungen anliegenden Abschnitte dieser Eintrittsleitschaufeln in bezug auf das normale Profil dieser Schaufeln im Sinne einer Änderung an der Austrittskante schwächer gekrümmt.If in the compressor along the gas flow path in front of the blades and guide vanes Inlet guide vanes are arranged, are preferably some or all of the Winding sections of these inlet guide vanes with respect to the normal profile of these blades in terms of a change at the trailing edge weaker curved.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine Axialströmungs-Gasturbinenkraftanlage mit Einlaßleitschaufeln gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen abgebrochen gezeichneten Schnitt einer Einlaßleitschaufel, F i g. 3 einen Schnitt in der Nähe des Außengehäuses durch die EiDlaßleitschaufeln, die erste Reihe der Laufschaufeln und die erste Reihe der Ständerleitschaufeln der in F i g. 1 gezeigten Gasturbinenkraftanlage, , F i g. 4 ein Vektordiagramm der Gase, welche in die Schaufelreihe nach F i g. -i eintreten und diese verlassen, F i g. 5 einen abgebrochen gezeichneten Schnitt durch eine Laufschaufel und eine Ständerleitschaufel. Eine Axialströmungs-Gasturbinenkraftanlage 10 in F i g. 1. hat einen Einlaß 12 und einen Auslaß 14 für den Durchfluß der Gase. Ein Einlaßkegel 16 begrenzt die Innenwand für die in die Kraftanlage eintretenden Gase und trägt eine Anzahl radial angeordneter Einlaßleitschaufeln 18, die an ihren Außenspitzen von einem Gehäuse 20 getragen werden, das eine Außenwand begrenzt. Ein Axialströmungskompressorläufer 22 wird von einem Turbinenrad 24 angetrieben, wobei die Schaufeln auf der ersten Stufe des Kompressors mit 26 bezeichnet sind und der Läuferumfang einen Teil der Innenwand bildet. Feststehende Leitschaufeln 128 wechseln mit Reihen von Laufschaufeln ab. Versteifungs- oder Kranzelemente 30 verbinden die Innenenden der Leitschaufeln und bilden einen Teil der Innenwand.The invention is explained in more detail with reference to the drawings of exemplary embodiments. In the drawings, F i g. 1 shows an axial flow gas turbine power plant with inlet guide vanes in accordance with the invention, FIG . 2 shows a broken section of an inlet guide vane, FIG . 3 shows a section in the vicinity of the outer casing through the inlet guide vanes, the first row of rotor blades and the first row of stator guide vanes of the type shown in FIG . Gas turbine power plant shown 1, F i g. FIG. 4 is a vector diagram of the gases entering the row of blades according to FIG. -i enter and exit, F i g. 5 shows a broken-off section through a rotor blade and a stator guide vane. An axial flow gas turbine power plant 10 in FIG. 1. has an inlet 12 and an outlet 14 for the gases to flow through. An inlet cone 16 defines the inner wall for the gases entering the power plant and carries a number of radially arranged inlet guide vanes 18 which are carried at their outer tips by a housing 20 which defines an outer wall. An axial flow compressor rotor 22 is driven by a turbine wheel 24, the blades on the first stage of the compressor being designated 26 and the rotor circumference forming part of the inner wall. Fixed vanes 128 alternate with rows of blades. Stiffening or rim elements 30 connect the inner ends of the guide vanes and form part of the inner wall.

Die in die Kraftanlage eintretenden Gase haben eine Axialgeschwindigkeit V" wie in F i g. 4 angegeben ist. Diese Gase verlaufen über Einlaßleitschaufeln 18, welche den Gasen den gewünschten Drall geben, wie aus F i g. 3 erkennbar ist, wo-bei sie die Schaufeln in der mit dem Vektor V, bezeichneten Richtung verlassen. Die Einlaßleitschaufeln sind so geformt, daß ein gleichmäßiger, kontinuierlicher Drall von Wand zu Wand entsteht. Die Einlaßleitschaufeln sind im Bereich der einen oder beider Wandflächen nur wenig oder nicht gekrümmt oder sogar gering-fügig entgegengesetzt zur normalen Schaufelkrümmung gekrümmt, so daß die kinetische Energie der Gase an den Wandflächen auf einen Wert vergrößert wird, der die Neigung zur Ablösung in den folgenden Schaufeln vermindert. Auf diese Weise behalten die Gase, statt angrenzend an die Gehäusewände die Einlaßleitschaufeln in der Richtung V, zu verlassen, eine im wesentlichen axiale Richtung bei, die sich der Richtung von V" annähert. Das Ausmaß dieser Änderung der Leitschaufeln hängt von der Neigung zum Ablösen in den folgenden Laufschaufeln ab.The entering the turbine gases have an axial velocity V "as shown in F i g. Is indicated. 4 These gases pass through the inlet guide vanes 18 which provide the gases to the desired twist as g of F i. Is recognizable 3, it where in leave the vanes in the direction indicated by the vector V. The inlet guide vanes are shaped in such a way that a uniform, continuous swirl is created from wall to wall. Curvature of the vane in the opposite direction to normal, so that the kinetic energy of the gases on the wall surfaces is increased to a value which reduces the tendency to detach in the following vanes Direction V to leave a substantially axial direction at which approximates the direction of V ". The extent of this change in the guide vanes depends on the tendency to peel off in the following blades.

Die Änderung des Leitschaufelwinkels nahe den Wänden bewirkt ein vergrößertes Auftreffen von Strömungsenergie auf die nachfolgenden Laufschaufeln.The change in the guide vane angle near the walls causes an enlarged Impact of flow energy on the following rotor blades.

Eine der Einlaßleitschaufeln 18 ist im einzelnen in F i g. 2 dargestellt. Sie hat außer im Bereich 28 bzw. 30 der Wände 16 und 20 einen gewölbten Querschnitt 32. Die Schaufelspitzen haben einen im wesentlichen symmetrischen Querschnitt, wie bei 34 und 36 dargestellt ist. Der mittlere Schaufelteil geht in die geänderten Teile im Bereich 28 und 30 in einer glatten und stetig gekrümmten Fläche über.One of the inlet guide vanes 18 is shown in detail in FIG. 2 shown. Except in the area 28 and 30 of the walls 16 and 20, it has an arched cross section 32. The blade tips have an essentially symmetrical cross section, as shown at 34 and 36 . The middle blade part merges into the changed parts in the area 28 and 30 in a smooth and continuously curved surface.

Gase, die über den Mittelteil der Schaufel strömen, werden gedreht und verlassen die hintere Kante der Schaufel in der Richtung Vi. Gase, die über die geänderten Teile 28 und 30 strömen, verlassen die hilntere Kante in einer mehr axialen Strömungsrichtung, während Gase, die in unmittelbarer Nähe der Wände 16 und 20 verlaufen, eine axiale Strömungsrichtung haben. Die genaue Art der Schaufeländerung, die erforderlich ist, um die kinetische Energie der Gase in der Grenzschicht auf einem hohen Wert zu halten, hängt von den Entwurfsbedingungen ab.Gases flowing over the central part of the blade are rotated and leave the rear edge of the blade in the direction Vi. Gases that flow over the modified parts 28 and 30 leave the lower edge in a more axial flow direction, while gases that run in the immediate vicinity of the walls 16 and 20 have an axial flow direction. The exact type of blade change required to keep the kinetic energy of the gases in the boundary layer at a high level depends on the design conditions.

Der in F i g. 3 dargestellte Schnitt ist so gewählt, daß er die Lage zwischen den Einlaßleitschaufeln, der ersten Reihe der Laufschaufeln und der ersten Reihe der Ständerleitschaufeln zeigt. Die Gase, die in die Kraftanlage eintreten, haben in dem Diagramm nach F i g. 4 eine axiale Geschwindigkeit V" und werden gedreht, so daß sie die Schaufelreihen in der durch den Vektor Vi angegebenen Richtung verlassen. Da die Laufschaufeln 26, durch welche die Gase zunächst strömen, eine Rotationsgeschwindigkeit S haben, ist die Geschwindigkeit der Gase mit Bezug auf die Laufschaufeln V_ Die Richtung des Vektors V, stellt den Eintrittswinkel der Schaufeln 26 her. Wenn- die Gase über die Laufschaufeln strömen, werden sie gedreht und in der Richtung von V, ausgestoßen. Da auch die Gase eine Rotationsgeschwindigkeit S haben, ist die resultierende Geschwindigkeit mit Bezug auf die folgende Reihe der Ständerleitschaufeln 128 V4. Dieser Vektor stellt den Eintrittswinkel der Vorderkante der Ständerleitschaufeln 128 her. Die Gase verlassen die Ständerleitschaufeln in Richtung des Vektors V", und strömen durch die folgenden Stufen der Kraftanlage mit einem Drall, der dem beschriebenen entspricht.The in F i g. The section shown in FIG. 3 is chosen so that it shows the position between the inlet guide vanes, the first row of rotor blades and the first row of stator guide vanes. The gases that enter the power plant have in the diagram according to FIG. 4 have an axial speed V "and are rotated so that they leave the blade rows in the direction indicated by the vector Vi. Since the rotor blades 26 through which the gases initially flow have a rotational speed S , the speed of the gases is with respect to FIG the blades V_ The direction of the vector V, establishes the angle of entry of the blades 26. When the gases flow over the blades, they are rotated and expelled in the direction of V. Since the gases also have a speed of rotation S , the resulting Velocity with respect to the following row of stator vanes 128 V4. This vector establishes the entry angle of the leading edge of the stator vanes 128. The gases leave the stator vanes in the direction of the vector V ", and flow through the following stages of the power plant with a swirl that corresponds to the described corresponds.

Mit der im Bereich der Wandflächen gegenüber der normalen Krümmung geänderten Krümmung des Querschnitts der Laufschaufeln 26 und der Leitschaufeln 128, wird die Pumpwirkung erhöht und die Ab- lösung der Strömung an diesen Schaufeln vermindert oder beseitigt. Der nutzbare Arbeitsbereich der Beschaufelung wird erweitert. In F i g. 5 ist der an die Wandung angrenzende Abschnitt 134 der Laufschaufel 26, die ein Tragflügelprofil 132 hat, stärker gekrümmt als der übrige Teil der Schaufel. An der Schaufelspitze 136 ist die Krümmung am größten. Der geänderte Teil geht in den restlichen Teil der Schaufel in einer glatten und kontinuierlichen Fläche über. An der auf die Laufschaufel 26 folgenden Ständerleitschaufel 128 ist der an die Wandung 30 angrenzende Abschnitt 138 in ähnlicher Weise verhältnismäßig stärker gekrümmt. Der nicht geänderte Querschnitt dieser Schaufel ist bei 140 erkennbar, und ein abge-u änderter Querschnitt ist bei 142 dargestellt.With the changed in the area of the wall surfaces opposite to the normal curvature of curvature of the cross section of the blades 26 and the vanes 128, the pumping action is increased, and the waste solution flow at these blades is reduced or eliminated. The usable working area of the blading is expanded. In Fig. 5 , the section 134 of the rotor blade 26 adjoining the wall, which has an airfoil profile 132 , is more curved than the remaining part of the blade. The curvature is greatest at the blade tip 136. The modified part merges into the remaining part of the blade in a smooth and continuous surface. On the stator guide vane 128 following the rotor blade 26 , the section 138 adjoining the wall 30 is similarly curved to a relatively greater extent. The unchanged cross-section of this blade can be seen at 140, and a modified cross-section is shown at 142.

Die aerodynamische Belastung der Enden der umlaufenden Schaufeln wird durch Vergrößerung des Eintrittswinkels erhöht, unter dem sich die Gase den Schaufeln nähern, oder durch Erhöhung des Dralls in den Schaufeln, oder durch die Kombination beider Maßnahmen.The aerodynamic load on the ends of the rotating blades is by increasing the inlet angle at which the gases move to the blades approach, or by increasing the swirl in the blades, or by the combination both measures.

Die über den geänderten Querschnitt der Schaufeln strömenden Gase verlassen die Schaufeln in einer mehr axialen Richtung als die Gase, welche die nicht geänderten Teile der Schaufeln verlassen. Dies ist in F i g. 4 veranschaulicht, wo der Vektor V, die Richtung der Gase anzeigt, die den nicht geänderten Teil der Ständerleitschaufeln 128 verlassen. V, ist der Geschwindigkeitsvektor der Gase, die den geänderten Teil 138 der Ständerleitschaufeln 128 verlassen. In diesem Diagramm ist die Axialkomponente V, größer als die Axialkomponente V". Bei den Laufschaufeln 26 haben die Gase, die den geänderten Teil 134 verlassen, eine größere Axialkomponente, als die Gase, die den normalen Teil verlassen. Durch die Vergrößerung der Axialkomponente wird die axiale Kraft auf den Gasdurchtluß auf einem hohen Wert gehalten, wodurch die Wandablösung vermindert oder beseitigt und eine nahezu gleichförmige Geschwindigkeit über die gesamte Schaufelhöhe erreicht wird.The gases flowing over the changed cross-section of the blades leave the blades in a more axial direction than the gases which leave the unchanged parts of the blades. This is in FIG. 4 illustrates where the vector V i indicates the direction of the gases exiting the unchanged portion of the stator vanes 128. V i is the velocity vector of the gases exiting the modified portion 138 of the stator vanes 128. In this diagram, the axial component V, is greater than the axial component V ". In the rotor blades 26 , the gases exiting the modified part 134 have a greater axial component than the gases exiting the normal part the axial force on the gas passage is maintained at a high level, thereby reducing or eliminating wall detachment and achieving a nearly uniform velocity over the entire blade height.

Die Änderung der Schaufelkrümmung kann bei einer beliebigen Anzahl von Lauf- und Ständerleitschaufelreihen vorgesehen sein. Sie kann nur auf die Ständerleitschaufeln oder nur auf die Laufschaufeln beschränkt sein. F i g. 5 veranschaulicht ihre Anwendung auf eine Laufschaufelspitze und auf einen Ständerleitschaufelf uß.The change in the blade curvature can be provided for any number of rotor and stator guide vane rows. It can be limited only to the stator vanes or only to the rotor blades. F i g. 5 illustrates its application to a blade tip and to a stator vane root.

Claims

Claims: 1. axial compressor blades and / or vanes, which have an altered in the region of the wall surfaces cross section for compensating the caused by these panels influencing the flow, d a d u rch g e k hen -zeichnet that the blade curvature in cross-section in the area of Wall surfaces at the trailing edges of the blades is changed in relation to the normal cross-section so that the flow in the area of the wall surfaces is transmitted a velocity component that is increased compared to the normal area.

2. Compressor according to claim 1, characterized in that the portion of the blade adjoining the wall is more curved with respect to the remaining blade length. 3. Compressor according to claim 2, characterized in that the outer end portion of each blade is more curved. 4. Compressor according to claim 2, characterized in that the inner end portion of each guide vane is more curved. 5. Compressor according to - claim 2, characterized in that both end parts of each guide vane are more curved. 6. Compressor according to one of claims 1 to 5, having inlet guide vanes which are arranged along the gas flow path in front of the rotor and guide vanes, characterized in that some or all of the sections of the inlet guide vanes resting against the wall with respect to the normal profile of these vanes are less curved in the sense of a change in the angle of attack at the trailing edge. Documents considered: Austrian Patent No. 156 123; The centrifugal pumps for liquids and gases, v. P f 1 e i d erer, 1949, pp. 288, 289.