DE2032562A1

DE2032562A1 - Kompressor fur Gasturbinen Motoren

Info

Publication number: DE2032562A1
Application number: DE19702032562
Authority: DE
Inventors: Pierre G Monroe Conn Schwaar (V St A) P
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1969-08-04
Filing date: 1970-06-26
Publication date: 1971-02-18
Also published as: GB1280113A; SE356792B; US3546880A; JPS5030854B1

Description

PATENTANWALT ,.,,.,, D-I BERLIN 33 17. Ju_nJ. _lJ70 Diplom-Chemiker Tefefmnmt: PATOCHEM BERLIN

AVCO CORPORATION Suite 1800, 1014 Vine Street, Cincinnati, Ohio 45 202, USA

Kompressor für Gasturbinen-Motoren Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein Gasturbinen-Motor geschaffen, der einen verbesserten Kompressor aufweist, sowie einen dreistufigen Axialflußkompressor und einen gegenläufigen Überschall-Mischfluß-Kompressor unmittelbar benachbart in Strömungsrichtung hinter dem Axialfluß-Kompressor besitzt. Der Axialfluß-Kompressor und das Mischfluß-Verdichterrad werden mit Geshhwindigkelten in Umlauf gesetzt, die dazu führen, daß die aus dem Axialfluß-Kompressor abgegebene Luft in das Mischfluß-Verdichterrad mit einer relativen Geschwindigkeit eintritt, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist. In dem Einlaßteil des Verdichterrades werden sodann Schockwellen ausgebildet, die die relative Geschwindigkeit auf einen Unterschallwert verringern und das Unterdrucksetzen der Luft erhöhen. In dem Teil des Verdichterrades benachbart zu de« Auslaßende wird die Luft weiterhin durch Diffusion und Zentrifugieren unter Druck gesetzt. Bei einer wahlweisen Ausführungsform wird eine Statorflügelanordnung zwischen dem Axialfluß-Kompressor und dem Mischfluß-Verdichterrad angewandt. Die Statorflügelanordnung ist so ausgeformt, daß die Geschwindigkeitsveränderung von der Nabe zu der Spitze des Miechfluß-Verdichterrad-Einlasses möglichst gering gehalten wird.

Die Erfindung betrifft Kompressoren und insbesondere Kompressoren für das Anwenden in Gasturbinenmotoren· Es ist allgemein bekannt, daß einer der die Leistungsfähigkeit einer Gasturbine nachteilig beeinflussenden Parameter das DruckverHältnis des Kompressors ist, oder in anderen Horten ausgedrückt, die relative Druckzunahme, die der dem. Verbrennungsraum zugeführten

- 1 -I0Ö80Ö/1307

Luft vermittelt wird. Ein Erhöhen des Druckverhältnissee führt' zu einer Verbesserung des spezifischen Brennstoffverbrauches, wenn der aerodynamische Wirkungsgrad des Kompressors bei dem gleichen Wert gehalten werden kann. Eine Möglichkeit ein hohes Druckverhältnis zu erzielen, besteht darin, einen Axial-* fluß-Kompressor anzuwenden, wie er allgemein in großen Gas<-turbinen-Motoren angewandt wird. Es ist auf dem einschlägigen Gebiet allgemein bekannt, daß dieser Kompressor einen höhen Wirkungsgrad besitzt und in der Lage ist ein seht hohes Druckverhältnis auszubilden, wenn eine ausreichende Anzahl an Kompressionsstufen vorgesehen ist. Die große Anzahl an Stufen erhöht jedoch den verwickelten Charakter und die Kosten des Axialkompressors dergestalt, daß hierdurch praktisch sich das Anwenden in billigen kleinen Gasturbinen verbietet.

Um hohe Druckverhältnisse zusammen mit möglichst einfachem Aufbau und somit verringerten Kosten zu erzielen, ist der Zentrifugalkompressor allgemein angewandt worden. Bei dieser Kompressorart werden hohe Druckverhältnisse dadurch erzielt, daß das Verdichtungsrad mit einer derartigen Geschwindigkeit in Umlauf versetzt wird, daß die Luft aus dem Verdichterrad mit überschallgschwindlgkeit abgegeben wird. Es ist sodann erforderlich, einen Diffusor vorzusehen, der die Geschwindig-' keit der Luft auf einen Unterschallwert vermittels eines Schockwellenverfahrens verringert und es erfolgt eine weitere Geschwindigkeitsverringerung auf den nledrigereren Wert, wie er in dem Verbrennungsteil des Motors angewandt wird. Wenn auch diese Kompressor art recht allgemein für kleine Gasturbinen-' Motoren angewandt worden ist, weist jedoch ein relativ niedrigen Wirkungsgrad auf und dies aufgrund der Tatsache, daß das Schockverfahren in Zusammenhang mit dem überschallfluß in dem Diffusor sich nur schwierig in der richtigen Welse steuern läßt und die Fläche,über die der Fluß oder die Strömung mit Überschallgeschwindigkeit und das Schockverfahren erfolgt, ist relativ groß aufgrund des großen Einlaßdurchmessers des Diffusors. Hierdurch werden die Diffusorverluste erheblich erhöht und es ergibt sich eine wesentliche Verringerung des Wirkungsgrades eines derartigen Kompressors.

BAD ORIQlNAL

τ·.-- ^-//■ ■ ■■ ■ ''---W. - -.■■■ ■■■■■■ ■■■ ■■. .- -■ --.- .-= -

Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, eine einfache Anordnung für eine wirksame und kompakte Kompressoreinheit zu βchaffen, die in der Lage ist sehr hohe Druckverhältnisse auszubilden, undzwar insbesondere geeignet für die Verwendung im Zusammenhang mit kleinen Gasturbinen.

Erfindungsgemäß wird ein AxlalfluB-Kompressor vorgesehen, der in einer eesten Richtung für die Abgabe der Luft bei einer absoluten Geschwindigkeit niedriger als die Schallgeschwindigkeit umläuft. Von dem AxialfluBkompressor empfängt ein gegenläufiges. Verdichterrad mit einem allgemein axial ausgerichteten EInIaB-flußweg die Luft. Die Drehgeschwindigkeit des Verdichterrades 1st asreichend, um eine relative Geschwindigkeit zwischen der abzugebenden Luft und dem Verdichterradeinlaß zu schaffen, die größer als die Schallgeschwindigkeit ist, wodurch Schockwellen benachbart zu dem Einlaß des Verdichterrades unter Verringern der absoluten Geschwindigkeit der Luft unter Schallgeschwindigkeit und Unterdrucksetzen derselben ausgebildet werden. Das Verdichterrad weist einen Auslaßflußweg im radialen Abstandsverhältnis außerhalb des Einlasses auf, wodurch die Luft !»wesentlichen radial beschleunigt und diffus gestaltet wird unter weiterer Druckerhöhung derselben. Hierdurch ergibt sich, daß die Fließflache. Ober die der Luftfluß mit Überschallgeschwindigkeit verläuft, geringstmögllch gehalten wird.

Nach einer erfindungsgemäßen AusfUhrungsfora weist ein Kompressor der angegebenen allgemeinen Konfiguration eine Reihe Statorschaufeln auf, die sich zwischen dem Axialfluß-Kompressor und dem Flügel aufweisenden Verdichterrad befinden. Die Statorschaufeln sind dergestalt geformt, daß dieselben den an des Verdichterrad abgegebenen FIuB dergestalt ablenken, daß die radiale Veränderung in der relativen Geschwindigkeit von dem Verdichterrad zu der Spitze der Flügel des Verdichterrades geringstmöglich gehalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen erläutert und.wirdim folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

109808/1301/

Fig. 1 einen längss@ltlgen Querschnitt durch einen Gasturbinen-Motor mit einer erfindungsgemäßen Koraprejsor-Einheit;

Fig. 2 eine Ansicht längs der Linien 2-2 nach der Fig. 1 und erläutert ein Merkmal des Kompressors des Motors nach der Fig. Ij

Fig. 3 eine weggebrochene längsseitige Ansicht eines Teils eines Kompressors« wie in der Fig. 1 gezeigt, und erläutert eine wahlweise erfindungsgemäße Ausführungsform?

Fig. 3, 4, 5, 6 und 7 Geschwindigkeitsdreiecke und erläutern die Machzahl und Richtung des Flusses bzw. der Strömung durch den Kompressor nach der Fig. 1;

Fig. 8 eine weggebrochene Ansicht einer wahlweisen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kompressors;

Fi.g 9, 10, 11 und 12 Geschwindigkeitsdreiecke und erläutern die Machzahl und Richtung des Flusses- bzw. der Strömung durch den Kompressor nach der Fig. 8.

Unter Bezugnahme auf die Flg. 1 ist dort ein Gasturbinen-Motor IO mit einem ringförmigen Gehäuse 12 gezeigt, der einen Einlaß 14 für die Führung der Luft zu einer Kompressoreinheit 16 aufweist. Wie weiter unten im einzelnen erläutert, weist die Kompressoreinheit 16 umlaufende Teile auf, die die Luft unter Druck setzen und dieselbe über einen ringförmig«!! Fließweg einer Verbrennungseinheit, allgemein durch das Bezugszeichen 18 wiedergegeben, zuführen. Die unter Druck stehende Luft wird sodann mit dem in die Verbrennungseinheit 18 durch ein® Brennstoffdüse 20 eingedrückten Brennstoff vermischt, und am sich ergebende Gemisch wird vermittels einer allgemein bekannten Anordnimg entzündet und erzeugt einen heißen Gasstrom, der über eine Turblneneinheit 22 abgegeben wird. In derselben wird ©iß Teil der Energie des heißen Gasstroms für den Antrieb der gegenläufigen Teil® der Kompreiieoreinheit 16 über die VerblnäuBgswellen 24_g 26 angewandt. Von d©r Turbineneinheit 22 aus kann der heiße Gasstroa cUrech eilte Auslaßdüse unter Ausbilden eines Schübe» abgegeben werde»« Wie hler jedoch gegeigt, entnimmt eine Kra£tturbln@neinheit 28 einen Hauptteil der aufgrund des heißen Gasstroma aar Verfügung stetesten Energie svm Antrieb einer drehbaren Kraftabgab«fell« 30,. <äie als wes@5St3.iche Kraft-

■ ■- 5 - ■.■■■.'.■■

abgabe für den Motor IO angewandt wird.

Erfindungsgemäß weist der Motor 10 eine verbesserte Kompressoreinheit 16, wie weiter unten im einzelnen erläutert, zusammen mit den damit zusammenarbeitenden Motorenbestandteilen auf. Die Kompressoreinheit 16 weist in Strömungsrichtung vorne ein axiales Fließteil auf, das einen Rotor 32 mit erstem und zweiten Stufen von in Umfangsrichtung angeordneten Kompressorflügeln 34 und 36 aufweist, die in entsprechender Weise hieran durch entsprechende geeignete Befestigungsmittel, nicht gezeigt, befestigt sind. Der Rotor 32 ist teleskopartig auf einer Welle 40 angeordnet und wird gegen eine Schulter 49 vermittels einer Befestigungsmutter 42 gehalten. Das hintere Teil der Welle 40 ist einstückig mit einem Rotor 46 ausgeführt, der eine dritte Stufe von in Umfangs richtung angeordneten Kompressorflügeln 48 aufweist. Das hintere Teil der Welle 40 weist ebenfalls eine kerbzahnförmige öffnung 41 auf, die teleskopartig über ein kerbzahnförmiges Teil der Verbindungsstelle 24 geführt ist.

Eine erste Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Kompressorstatorschaufeln 38 erstreckt sich von dem Gehäuse 12 in einen ringförmigen Raum zwischen den benachbarten Stufen der Flügel 34 und 36. Eine zweite Reihe von in Umfangsrichtung angeordneten Kompressorschaufeln 50 erstreckt sich von dem Gehäuse 12 radial nach innen zwischen die zweiten und dritten Stufen der Kompressorflügel 36 bzw. 48. Die Kompressorflügel 50 werden so hergestellt, daß sich eine relativ starre Traganordnung für ein inneres ringförmiges Bauteil 52 ergibt.

Das Bauteil 52 ist an einer ringförmigen tragenden Sumpfkammer 54 befestigt. Es ist ein Paar Lager"56 und 58, das für die Lagerung der Welle 40 angewandt wird, in der Sumpfkammer 54 angeordnet. Die Enden der Sumpfkammer 54 sind durch geeignete ringförmige Dichtungsanordnungen 60 abgedichtet, die eine Reibungsdichtung oder Labyrinthdichtung sein können,

Das in Ströraungsrichtung hinten liegende Teil der Kompressoreinheit 16 besteht aus einem drehbaren Verdichterrad mit einer Nabe 62, die die inneren Begrenzungen eines allgemein ringförmigen Fließ- oder Strömungsweges längs derselben darstellt. Die äußeren Begrenzungen des Fließweges werden durch das benachbarte

109808/130 7

Teil des Motorengehäuses 12 gebildet» Es 1st eine Reihe allgemein radial verlaufender Flügel 64 an dem Äußenumfang der Nabe 62 durch geeignete Befestigungselement® fß&cht gezeigt) befestigt. Die Nabe 62 ist teleskopartig über di® Verbindungswelle 26 geführt und wird gegen ©ine Schulter 68 durch eine Befestigungsmutter 66 gedrückt. Das Ende der Welle 26 benachbart

zu der Nabe 62 ist vermittels einer Lageranordnung 70 gelagert, die sich in eineral!gemein ringförmig©» Suiipf kammer 72 befindet.

Die Sumpfkammer 72 ist an ihren vorderen Ende durch eine Dichtungsanordnung 74 abgedichtet. Di® Welle 26 kann für Hllfsan» trlebszwecke angewandt werden vermittels Befestige» eines Kegelritzels 76 über der Welle 26 zwecke Ilßgrlff alt einem Kegelrad 78. Das Kegelrad 78 ist an einer Well® SO befestigt, die in den meisten Fällen in einer allgemein rlagfösüigea Tragaaosdnung 82-gelagert würde, welche sich voa der Smtpfkaesr 72 aus" er streckt, Die ringförmige Traganordiraag 82 ist aa Ito®» Salprea Umfang an den Innenkanten einer Metesahl wia isa Psfaagsrlefetaag augeordnet« Dtffiraorschaufel» 84 befestigt, di© di© vora ü®m V@r^te dichterradflfigeln abgegeben© Luft aBfaetasj®«»

Es ist eine allgemein ringförmig® EIalaSlciftomg 86 aa den hinteren Enden der Diffusorschaufel» 84 befestigt wv& ergibt einen Fließ- oder Strömungsweg für die Luft Im di© Vesteesaraagseinhelt 18. Die Ferbrennwjagseiniieit 18 weist eise Kammer 88 auf, die einstückig mit den

hier gezeigt, ausgebildet sein karaa» Ia der Kanesr 88 befindet sich ein© Verbrennungsanordnung 90. Die 90 kamn ia der hier gezeigten Form einer Gegenfluß-Verbrennusigsaiaordnumg vorliegen Ό Die buehs@nfönaig©a Brennar weisen kurz umrissest eine - Bslhe erstreckender, durchlöcherter Büchsen auf ₈ 88 herum angeordnet slnäo 0ieseib@E sind ii miteinander durch ©ic Rohr werbumdea anifeba die &®is@a Gas© in ein Teil 92 ab, das den FImS in
und den übergang aus dea kreisfdsaigea den vollen TurbiaeneinlaSriag vor der

■109808/1307

Die Turbinendüse 94 weist allgemein eine Reihe sich radial erstreckender Schaufeln 96 auf_f die an dem Motorengehäuse 12 und an dem inneren Teil des Übergangsteils 92 befestigt sind. Es ist ein Turbinenrotor 98 benachbart zu der Turbinendüse 94 angeordnet und weist eine Mehrzahl an sich radial erstreckenden Turhlnenflügeftn 100, die eine erste Stufe der Turbineneinheit 22 bilden. Der Turbinenrotor 98 ist vermittels einer geeigneten Anordnung an der Welle 26 an einem Flansch 102, der hiermit einstückig ausgeführt ist, befestigt. Das hintere Teil der Welle 26 ist vermittels einer Lageranordnung 104 gelagert, die an der ringförmigen Sumpfkammer 72 befestigt ist. Eine geeignete Dichtungsanordnung 106 dichtet das hintere Teil der Sampfkammer 72 ab.

Eine Mehrzahl an in Umfangsrichtung angeordneten Turbinenschaufeln 108 ist an dem Motorengehäuse 12 in Strömungsrichtung hinter den Turbinenflügeln 100 befestigt. Die inneren Enden der Schaufeln 108 stehen mit einem ringförmigen Leitungsteil 110 in Verbindung, das zwischen dem Leitungsteil 110 und dem Flansch 102 der Helle 26 eine geeignete Gasdichtung 112 aufweist.

Es ist ein zweiter Turbinenrotor 114 in Strömungsrichtung hinter den Turbinenschaufeln 108 angeordnet und weist daran befestigt eine Mehrzahl an Turbinenflügeln 116 auf. Der Rotor 114 ist einstückig mit der Welle 24 ausgeführt und wird vermittels einer Lageranordnung 118 gelagert, die vermittels einer Sumpfkammer 120 abgestützt wird. Die Sumpfkammer 120 1st an ihrem vorderen Ende ,vermittels einer Dichtung 122 abgedichtet und an einem allgemein ringförmigen Tragteil 124 befestigt. Das Tragteil 124 ist an seiner äußeren Kante an einer Reihe Schaufeln 128 angeordnet, dl« sich zu dem Motorengehäuse 12 erstrecken.

Wie in der Flg. 1 gezeigt, werden die gegenläufigen Axial- und Zentrifugalkompressor-Abschnitte direkt durch zwei mechanisch unabhängige Rotoren der Turbine 100 und 116 angetrieben, die somit in entgegengesetzten Richtungen umlaufen. Es versteht sich jedoch, das die Gegenumläuflgkeit der zwei Kompressorabschnitte auch vermittels «ines Getriebes erzielt werden kann, das durch einen einzigen Turbinenrotor angetrieben wird.

~ ⁷ ~ 109808/130 7

Bei dem Betrieb weist der teialiteiipTOseor eine Strömungs-Ge-."-.-.

schwindigkeit an dem Auslas des !©tüten Axialrotorstufe 48 auf, die eine Unterschallgeschwindigkeit relativ ^b den fest- " " liegenden Motoreagehäuse 12 1st !absolute GseehwlndigKelt).; ~ .

Das gegenläufige Verdiehterred 62 fuhrt jedoch dazu, daß die Fließgeschwindigkeit der la das Htecllistttenad eißtretenden Luft ■ eine Unterschallgeschwindigkeit relativ zu dem Velrdichterradist (relative Geschwindigkeit! · Xn dem EinlaBgebie't dar Verdichterradflügel werden SeStoekwsllea erzewft', did den Fluß oder Strömung auf einen untereeltallgeecbwisMigkeitswert.* relativ - -asu " ■ dem Verdichterrad verlangsaisen« ßie Flügel 64 in diesem. Einlaß-* gebiet des Verdichter?ades. niai gekennzeichnet durch ©ineft im ~ wesentlichen konstasiten

Radius,- ».oidLe diarch

Stroinungtrannung bedingt

schicht M#it«ffltgeli*föi h|jttesis»igehal>ten wirö« la ä«a tiimt<ir.eft; 5?#il der VerdichtewreäfJLIf^l₁

mein radial iiacfe-'attiiim w&ü- Ia -;üdatimf"aaf

Di« Mt des klQs g®s«is$&c» ^efala^liteiiffQlloo ^isS oüfcffisisä als

«äoj?

Xonfig«ratieii öÄtegefeemio döD jpolativ ^öalf eSes des fin···* Ia ä<m memtmt ftll ä®x PM§©i egfolffej, €»!»„ dux Teil 'wo der ibc»iicS»llfIfiiß «!»sr stresuiisf ©af eisae© öat®jegehal geichwtoaiLticeitiiiisirt iSareä <ii« SÄoösrelleAlMiaf _p öieli© iie Fig. 2 vnrliiÄfeemfc-Wirö· tCsifesfM® ist «Sos· in FlufikattiA in As» mratmm ä£1 am

dal relativ wesif eier ImMs ZtsMofeso ü®s seola^ivoa ?läai3^CT fesw«.

Strönmfnisfmnlfilldii« dasÄ dot) ffifcto feul <äös· E³El^oE erfolgt_f aa so die SiBiioeSsfeeafifiiratioa assa otoSsllioiososi

der #cm SferCaaiigcrafeikcBll. cliisefei ©lie lofesfeo 48 veeüittclfeca ςρχϋοκίΙΟΏ Dc?;ofüassf .^äsd Qiaa

der Verdichterradarbeit in dent Einlaßgebiet des Verdichterrades gemacht. Dies ermöglicht eine Auslegung des Verdichterrades mit einem kleineren Auslaßdurchmesser und einer kleineren absoluten Auslaß-Mach-Zahl als ansonsten für ein äquivalentes Druckverhältnis erforderlich wäre. Somit ist das Verdichterrad vorzugsweise mit einem gemischten axialen-radialen Fließ- bzw. Strömungsweg versehen, d.h. mit einem ringförmigen Kanal, der einen Winkel mit der axialen Richtung von wesentlich kleiner als 90° an dem Verdichterradauslaß-Durchmesser bildet.

Die Fig. 4, 5, 6 und 7 zeigen beispielsweise Strömungsbedingungen, die in einem typischen erfindungsgemäßen Kompressor vorliegen-. Es ist jedoch zu beachten, daß die Beschreibung dieser Strömungsbedingungen lediglich der Erläuterung dient und den Erfindungsgegenstand nicht betrifft. Die gezeigten Geschwindigkeitend gelten für einen Kompressor, der ein überschall-Axial-Strömungsteil mit drei Stufen aufweist. Wenn es auch nicht erforderlich ist, bei dem Erfindungsgegenstand einen überscha11-AxialfliÄßkpmpressor anzuwenden, ermöglicht doch das Anwenden eines überschallkompressors eine Verringerung der Anzahl der Stufen, wie sie für das Erzielen eines gegebenen Druckverhältnisses erforderlich sind.

Im folgenden ist die Nomenklatur der Geschwindigkeitsvektoren allgemein ausgedrückt in Machzahlen (M) angegeben:

» absolute Einlaßgeschwindigkeit ~ absolute Auslaßgeschwindigkeit - relative Einlaßgeschwindigkeit M--, ^s relative Auslasgeschwindigkeit

U₁ » tangentiale Einlaßgeschwindigkeit des umlaufenden Teils des Kompressors

U₂ = tangentiale Auslaßgeschwindigkeit des umlaufenden Teils des Kompressors

Μ... » Unterschallgeschwindigkeit benachbart zu dem Einlaß

des Miechfluß-Verdichterrades nach Schockwellenbildung

Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, liegt die relative Geschwindigkeit an der Spitze der dritten Stufe der Flügel 48 gerade unter der Schallgeschwindigkeit (M^ « 0,984). Die absolute Geschwindigkeit an dem Auslaß der Stufe der Flügel 48 ist Unter-

109808/1307

Schallgeschwindigkeit (M^ * O„65Q an der Nabe-und M__₂ « 0,616 an der Spitze), jedoch ist die relative Geschwindigkeit an dem Einlafi des Verdichterrades eine Überschallgeschwindigkeit über die gesamte Kanalhöhe (M^₁ « 1*352 an de» Nabe, ^m*" 1*520 an dem Spitzenabschnitt)« Das Yerdictiterrad verlangsamt die über schäl !strömung auf ©inen Unterschallgeschwindigkeitswert in .dem vorderen Teil desselben vermittels einer §eii©ekw©llenbildung_; die in Abhängigkeit von der Eimteitts-Maefc-Zahl Bt₀₁, die Form einer Einfachschock", einer Meferfachschock ©der sogenannter Pseudoschock-Konfiguration anaefanen kann«, Dies wirö durch die Uhterschall-M&ch-Zahl M^₁ ■ o,7SO aus der Nabe and B^₁ « Q „700 an dem Spitasenatosctonitt wiedergegeben _s

bedingungen ip Flieflrichtang hinter dem wordör©® Teil des Ver-Il dlchterrades gekennezeichBet werden« Das ¥@rdicliterrad gibt schließlich den FIuS in de» Diffusor §4 mit ©ia@r absoluten Unterschallgeschwindigkeit (Μ.,-, » 0_?®§4 sb üqs Eäb®_s i\*m =

v* v*

O_#888 an dem Spitzenabschnitt)ab. Die g©eiag©5?© Sfesröaraigsge-schwindigkeit aa dem Einlaß um Diffiasors la ¥©sgleicli zn derjenigen t die mit einem berfeceialieltess %©BtrIfagaUc©H|ps@ssor erzielt werde» %iörde_ff sowie der kleinere messer führen zu einer wesentlichem
verluste über dieses Fl!ige.l©le»effit _α

Der oben beschrieben® ÄxialköHspressor raid MiaelafIraS-¥©rdieht@r™ rad führen zu einem extrem foph©ü Druckverhältnis b©i elaer relativ einfachen Konfiguration,, Es Ist gus beachtest daß ä@r ünter-

DiffusoreiulaSgebiet su dem Verdicfiterradeialaßgefoiefe ben worden ist» Hierdwrcli ifird %«seatlicfe die Fllcla© verringert über die der Fluß oder di© StrönraBg mit üb©rschallg@seSiwindigkeit erfolgt und somit werdess dl© alt dea ib©ES©feaIIflaß od©r überschallströmung verbundenen B®ibungsv@rliast© Es ist ebenfalls zu beacSitea_ff daß aafgffoad ά®& E%%&® erheblichen Jtoteils der Komps@s©lojasasb©±t darefe die wellenbildwiag in dem Einlaßtall <ä@s Y©sa&ehtQ%i£Eiä®& _e dl® radial© Entfernung des Auslasses g

Veräichterrad-Drackverfelltials

- 10 -

109808/1307

kelt an dem Auslas d·· Verdtcht«rr«des das Anwenden eines wirksam· ren Diffusor*·

Wenn ein erfindungsgem&ßar Kompressor für das Ausbilden verhältnismäßig hoher relativer Machzahlen an de« Einlaß des Verdichterrades betrieben wird, 1st es zweekslBlg, die radiale Machzahienveränderung swlsöhen der Nabeund der Spitze der Flügel kleinetmöglich zu halten, um so ein einheitlicheres statisches Druckverhältnis durch das Verdichterrnd-Schockayetem Über die radiale Abmessung des ringförmigen Strömungsweges in das Verdichterrad zu erzielen. Dies stellt sicher, daß das radiale Gleichgewicht der Strömung durch das Schocksystern aufrechterhalten wird, und die Strömungsbedingungen in de» In Strösungsrichtung hinter de» Verdichterrad liegenden Teilwerden desgesSß verbessert.

Diese aerodynasiche Verbesserung wird dadurch erzielt, daß eine Reihe statischer Flügel zwischen den in Ströemngsrichtung hinter den Axial fluß-Kompressor liegenden Ende und des Einlaß zu den Verdichterrad vorgesehen wird, wie Fig. 8 zeigt. Die Fig· 8 zeigt die letzte Stufe 48* eines Axialflue-Kompre«»or«. Betist eine Mehrzahl an Statorschaufeln ISO mit deren äu6*rer Kante an den Motorengehäuse 12' und ihren inneren Kanten an einen ringförmigen Kanal 152 angeordnet, das die inneren Begrenzungen de* ringförmigenströnungsweges über die Statorschaufeln ISO begrenzt, in Übereinstimmung slt den Stand der Technik ist da« kanalförmige Teil 1S2 so vorgesehen, daft sieh eine Dichtung in Zusammenwirken mit einer Verlängerung 154 des Rotere 40' für den Axialfluß-Konpressor ergibt*

Wie insbesondere in der Fig. S gezeigt, sind die Schaufeln ISO an -deren radial 'inneres Ende so geformt, das der aus des Axialfluß-Kompressor in eine axiale Richtung abgegebenen Luft keine Wendung vermittelt wird· Hie in der Fig. 9 gezeigt* liegt die vordere Kante der Schaufel 150 angenähert in Linie sit des Maeh· xahl-vektor M^, der auf der letzten stuf* des AxX*I£.1uäHKö»- pressors abgegebenen Luft vor· Die hintere Kante der Schaufel ISO wendet die Strömung geringfügig mmt «ine tangentlaie Riehtung. Dies ermöglicht es, den relativen Winkel der Strösung -an des Einlaß zu des Verdichterrad 62* einheitlich iber die Abmessung des ringförmigen Strdsungsweges zu gestalten.

- 11 - ; '■■

.■■■'■.■ 109808/1307

Die Schaufeln 150 sind jedoch dergestalt gekrümmt, daß deren Spitzenabschnitt eine erhebliche Wendung in Richtung auf die axiale Richtung vermittelt, siehe die Fig. 10. In dieser Figur ist gezeigt, daß die vordere Kante des äußeren Endes der Schaufeln 150 angenähert in Linie mit dem Machzahl-Vektor M... der aus der letzten Stufe des Axialflufl-Kompressors abgegebenen Luft liegt. Die Schaufel wird jedoch so gewendet, daß das in STrömungsrichtung hintere Ende der Schaufel in Richtung auf eine axiale Richtung vorliegt.

Die Krümmung der Schaufeln 150 führt zu Machzahlen in dem Einlaß des Verdichterrades 62', wie es in der Fig. 11 gezeigt ist. Anhand dieser Figuren ist ersichtlich, daß die tangentlale Machzahl-Komponente der in den Sentrifugalkompressor an der Spitze der Rlügei 64 ©intretenden Luft durch die Krümmung des äußeren Endes der Schaufeln ISO verringert worden 1st. Hierdurch wird die erhöhte relative Machssahl der Luft kleinstmöglich gehalten, wie es durch die erhöhte tangentiale Geschwindlgkeitskomponente der Flügel 64' an dereis Elnlaßspitze verursacht wird. Dl@s bedingt relative Einlaß-Machzahlen^ dl® praktisch gleich sind. In der gezeigt«! Statorschaufel ist der radial innere Abseiwitt der Schaufel ISO s© geformt, daß die Strömung iss Richtung auf die tangential® Richtung in ©ine» Slam© entgegengesetzt zn demjenigen der Wendung an dem äußeren Teil eier Schaufeln ISO gewendet wird. Dies ermöglicht es, daß ά&ζ relative Winkel, der Strömung an dem Einlaß des Verdiehterrades praktisch einheitlich ist und ermöglicht e» weiterhla„ daß die Form dee vorderen Teils der Verdichterradflügel 64' im wesentlichen von der Habe bis zur Spitze konstant ist. Ss erigfot slete^ daß das radial lauere Teil der Schaufel ISO so geformt wertes kann, daß der Luftströmung keine Wendung vermittelt wird und »an trotzdem icomstaate relative Machzahlen an dem Einlaß des Verdiehterrades 62" erssielt.

Bei der in ä@r Fig. 1 gezeigt« speziellen Aus führ «agsfora des Motors haae©It es eich bei der VerbrenBungseialieit IS um eine Gegenflufitype, öl© eine weeentlicte ¥erringeirang der axialen Abmessung der Verbifiduragssteliea 24 und 2β ermöglicht® Durch Anwenden dieser Bauart ist die aattrliche Freqaeaz der ¥erbindufigs-"

- 12 -

wellen ausreichend groß, um über den normalen Arbeitsbedingungen des Motors zu liegen und würde somit jegliches Erfordernis zur Kompensation dieses speziellen Phänomens ausschließen. Die Gegenfluß-Verbrennungseinheit 18 ermöglicht weiterhin eine weentllche Verringerung der axialen Abmessung für denMotor 10, wodurch dessen Verwendung bei Anwendungsgebieten erheblich erleichtert wird, wo die axiale Abmessung einen sehr wesentlichen Faktor darstellt.

Während die welter oben beschriebene und in den Fig. 1 und 2 gezeigte Verdichterradanordnung ein erhebliches Druckverhältnis aufweist, ermöglicht:die Anordnung nach der Fig. 3 das Erzielen eines noch größeren Druckverhältnissee. In der Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Verdichterrades 62* gezeigt, das an einer Welle 26* befestigt, die vermittels der Lageranordnung 70 gelagert ist. Bei diesem Verdichterrad ist eine erste Reihe von axial verlaufenden Flügel 140 gezeigt, die ein Einlaßteil des Verdichterrades bilden, sowie eine zweite Reihe allgemein radial verlaufender Flügel 142, die ein Auslaßteil des Verdichterrades 62* bilden. Es ist eine Reihe von in Umfangsrichtung vorliegenden Schaufeln 144 an einem Motorengehäuse 12' befestigt und erstrecken sich zwischen benachbarten Reihen der Flügel 140 und 142. Bei dieser Anordnung nehmen die Flügel 140 den relativen überschallflufl oder Strömung von dem axialen Flußkompressor auf und der Luftfluß wird heruntergeschockt, wodurch sich eine Druckerhöhung ergibt. Die Schaufeln 144 nehmen die Strömung auf und wenden dieselbe in Richtung auf ein· axiale Richtung, so daß die Flügel 142 so geformt werden können, daß auf die Luft eine größere Arbeit ausgeübt wird und sich somit ein Vergrößern des Druckerhältnisses in einem größeren Ausmaß für eine gegebene Naben- und Strömungsweg-Konfiguration ergibt. Wenn auch der Erflndungsgegenstand hier im Zusammenhang mit einer speziellen Axialfluß-Kompcessor- und Gasturbinen-Motoren-Konfigurationbeechriebenworden ist, versteht es sich jedoch, daß er auch mit einer beliebigen Anzahl an Motorenkonfigurationen Anwendung finden kann.

- 13 -

109808/1307

Claims

Patentansprüche

Iy Vorrichtung für das Unterdrucksetzen von Luft In einem Gasturbinen-Motor, dadurch gekennzeichnet, daß «in Axialfluß-Kompreesor, der in einer ersten Richtung umläuft, für die Abgabe der Luft mit einer absoluten Geschwindigkeit, die unter 'der Schallgeschwindigkeit liegt, ein Verdichterrad mit Flügeln für einen gegenläufigen Umlauf, das ein allgemein axial gerichtetes Einlaeteil besitzt, welches einen praktisch nicht abgelenkten Fließweg für die Aufnahme der aus dem Axiai-Kompressor abgegebenen Luft begrenzt, wobei die Drehgeschwindigkeit des Verdichterrades ausreichend 1st, um eine relative Geschwindigkeit zwischen der abgegebenen Luft und dem SinlaSteil des Verdichterrades auszubilden, die größer ale die Schallgeschwindigkeit 1st, wodurch Schockwellen benachbart zu dem Einlaeteil des Verdichterrades erzeugt werden unter Verringern der absoluten Geschwindigkeit der hindurohfiießenden Luft rater Schallgeschwindigkeit sowie Unterdrucksetzen der Luft, das Verdichterrad ein Auslaßteil besitzt, das einen Fließweg radial außerhalb des Einlaßteils begrenzt, wodurch die Luft im wesentlichen radial beschleunigt und diffus gestaltet wird zwecke weiterer Druckzunahne, vorgesehen sind» .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad eine Nabe aufweist, die die innere» Begrenzungen eines ringförmigen Fließweges über dasselbe begrenzt und eine Reihe sich radial erstreckender Flügel hiean befestigt sind, die Flügel eine derartige Konfiguration besitzen? daBdieselben in Kombination mit der Habe Fließwege begrenzen, dl© eine relativ konstante Fließfläche iis de» BialaBteii besitzen? in dem die Schockwellen ausgebildet werden, sowie ein® divergierende Fließfläche benachbart zu dem AuelaSteil niers« swsek® Diffusion der Luft vorliegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch I_r dadurch gekennselehnet, das der

Axial-Flufikompressor ein lberschailk@i^£®üsor £sfe_p der"©ine

geringe Anzahl an Stufen für «iss- i»t«Sraeiee®tz©ia dar Luft aufweist.

ϊ£3 Ti /. \ er?

BAD ORIGINAL
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichterrad in Form eines Mischfluß-Verdichterrades vorliegt, das ein allgemein axial ausgerichtetes Einlaßteil und allgemein nach außen gerichtetes Auslaßteil aufweist, der Axial-Kompressor auf die Luft eine erhebliche tangentiale Geschwindigkeitskomponente für die Abgabe der Luft an das Mischfluß-Verdichterrad beaufschlagt, die Sehne der Verdichterradflügel in deren Einlaßteil in Richtung auf eine tangentiale Richtung für einen allgemein parallelen relativen Luftfluß von dem Axialfluß-Kompressor in den Einlaß des Verdichterrades winkelförmig ausgeführt ist, die Sehne der Verdichterradflügel benachbart zu dem Einlaßteil eine sehr geringe Krümmung längs des Teils aufweist, in dem die Schockwellen ausgebildet werden, die Sehne der Verdichterradflügel in Strömungsrichtung hinter dem Einlaßteil, wo die Schockwellen ausgebildet werden, in einer allgemein axialen Richtung an dem Auslaßende des Verdichterrades gekrümmt ist.
5. Vorrichtungnach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fließweg durch die Verdichterradflügel radial nach außen in den Auslaßteii mit einem Winkel vorlieft, der wesentlich kleiner als 90° relativ zu der Achse des Verdichterrad·« ist, das Mischfluß-Verdichterrdd mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in Umlauf versetzt wird, so daß ein erheblicher Grad des Unter-Druckeetsens -der durch das Verdichterrad hindurchtretenden Luft durch die Schockwellen an den Einlaß bedingt wird, wodurch die radiale Entfernung zwischen den Einlaß- und Auslaßteilen des Verdichterrades kleinstmöglich gehalten 1st.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Diffusor so angeordnet ist, daß derselbe die von dem Verdichterrad abgegebene Luft aufnimmt und eine divergierende Fließfläche aufweist, wodurch der Druck der aus dem Mischfluß-Verdichterrad abgegebenen Luft weiter erhöht wird.
7. Vorrichtung nach Ansprach 6 in Kombination mit einem Gasturbinen-Motor, wobei der Gasturblenen-Motor dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbrennunganordnung für die Aufnahme der von dem Diffusor kommenden unter Druck stehenden Luft vorgesehen 1st, die Verbrennungsanordnung eine Anordnung für das Vermischen der unter Druck stehenden Luft mit Brennstoff und Entzünden des Gemisches unter Ausbilden eines relativ heißen Gasstroms aufweist, sowie

- 15 - 109808/1307

eine Turbinenanordnung in Strömungsrichtung hinter der Verbrennungsanordnung vorliegt für die Übernahme eines Teils der Energie aus dem heißen Gasstrom für den Antriäb des Axialfluß-Komö pressors und des Mischfluß-Verdichterrades»
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenanordnung eine ringförmige Einlaßdüse mit einer Reihe radialer Schaufeln angeordnet in Strömungsrichtung hinter der Verbrennungsanordnung für die Aufnahme und das Beschleunigen des heißen Gasstroms, eine erste Stufe an Turbinenflügeln angeordnet in Strömungsrichtung hinter der Einlaßdüse für ein Umlaufen aufgrund des Hindurchtrittes des heißen Gasstroms und eine Welle, die sich von der ersten Stufe zu dem Mischfluß-Kompressor für ein gemeinsames Umlaufen mit demselben erstreckt, eine zweite Stufe an Turbinenfiügeln angeordnet in Strömungsrichtung hinter der ersten Stufe für ein Umlaufen aufgrund des Hindurchtritts des heißen Gasstroms, eine Wellenanordnung koaxial mit der ersten Wellenanordnung, die den Axialfluß-Kompressor und die zweite Turbinenstufe für ein gmeinsames Umlaufen verbindet, auf weist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vetabrennnngsanordnung eine ringförmige Kammer, wobei der Einäaß des Diffusors in einem radial äußeren Teil derselben angeordnet ist, und ein Auslaßteil radial innerhalb von und benachbart zu dem Einlaßteil vorgesehen iet, wenigstens ein© Brennereinheit in der Kammer für das Vermischen der unter Druck stehenden Luft mit dem Brennstoff zwecks Aufrechterhalten der Verbrennung angeordnet ist, die Brennereinheit so vorliegt, daß der durch die Verbrennung ausgebildete heIS© Gasstrom in einer Richtung nach vorne relativ zu dem Fluß durch die KOmpressoreinheit und die Turbinenanordnung gerichtet wird, eine Leitungsanordnung für die Aufnahme des heißen Gasstrome von der Brennereinheit und Wenden des Flusses für die Abgabe In die ringförmige Turbinendüse unter Kleinstmöglichhalten der axialen Länge des Motor© vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor weiterhin eine Antriebsturbinenanordnung in Strömungerichtung hinter der Turbinenanordnung für das überführen eines Hauptanteils der Energie aus dem heißen Gasrtroms unter Ausbilden

- 16 -

109808/1307

17 einer mechanischen Drehkraft angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischfluß-Verdichterrad eine drehbare Nabe, die die Inneren Begrenzungen eines ringförmigen Fließwges über das Verdichterrad begrenzt, eine Mehrzahl an allgemein radial verlaufenden Flügeln befestigt an der Nabe und einen Fließweg für das Einlaßteil des Verdichterrades begrenzen, eine Mehrzahl allgemein radial verlaufender Flügel befestigt an der Nabe und im Abstandsverhältnis von den Einlaßschaufeln unter Ausbilden eines Fließweges durch das Einlaßteil des Verdichterrades aufweist, wobei die Vorrichtung weiterhin gekennzeichnet 1st durch ein allgemein ringförmiges Gehäuse mit einer inneren Oberfläche eng benachbart zu den äußeren Enden der Schaufeln unter Ausbilden der Begrenzungen des Fließweges über das Verdichterrad, eine Reihe sich radial erstreckender Statorschaufeln befestigt an dem Gehäuse, die sich zwischen den Schaufeln in Richtung auf die Nabe erstrecken, sowie die Staotorschaufeln so geformt sind, daß sie die darüber strömende Luft so wenden, daß die Auslaßschaufeln zu einem größtmöglichen Unterdrucksetzen der Luft führen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialfluß-Kompressor und das gegenläufige Verdichterrad so betrieben werden, daß relativ große Machzahlen an dem Einlaß des Verdichterrades ausgebildet werden, sowie weiterhin vorgesehen sind eine Mehrzahl an Statorschaufeln angeordnet zwischen dem hinteren Ende in Strömungsrichtung des AxialflußpKompressors und dem Einlaß des gegenläufigen Verdichterrades für die Aufnahme von Luft aus dem Axialfluß-Kompressor und Ausrichten derselben auf den Einlaß des Verdichterrades,'wobei die Statorschaufeln so ausgeformt sind, daß eine gerlnstmögliche Wendung zu dem aus dem Axialfluß-Kompressor abgegebenen Fluß für das radial innere Teil der Schaufeln gebildet wird, sowie eine erhebliche Wendung des aus dem radial äußeren Teil des Axialfluß-Kompressors abgegebenen Flusses über das radial äußere Teil der Statorsahauf ein ausgebildet wird, zwecks geringstmöglichhalten radialer Veränderungen der relativen Machzahlen an dem Einlaß des Verdichterrades.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, da£ die

" ^1? " 109808/1307

Statorschaufeln an deren radial äußerem Teil so ausgeformt sind, daß ein erhebliches Wenden des Luftflusses aus einer tangentialen Richtung in eine axiale^ Richtung reativ zu der Achse des Verdichterrades erfolgt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13„ dadurch gekennzeichnet, daß das radial innere Teil der Schaufeln so ausgeformt ist, daß der aus dem inneren Teil des Radlalfluß-Korapressors abgegebene Fluß in Richtung auf eine tangeatiale Richtung gewendet wird.

109808/1307