DE2748597A1

DE2748597A1 - Ueberschallkompressor mit verbesserten betriebseigenschaften ausserhalb des bemessungsbetriebszustandes

Info

Publication number: DE2748597A1
Application number: DE19772748597
Authority: DE
Inventors: Carl Curtis Koch; Jun David Chandler Prince
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-10-29
Publication date: 1978-05-03
Also published as: FR2369415A1; CA1075159A; JPS5356710A; US4123196A; GB1581190A

Description

Uberschallkompressor mit verbesserten Betriebseigenschaften außerhalb des Bemessungsbetriebszustandes

Die Erfindung bezieht sich auf Axialstrom-Gasturbinentriebwerkskompressoren sowie -gebläse und im einzelnen auf Kompressorstufen, bei denen die relative Strömungsgeschwindigkeit beim Auftreffen auf die sich drehende Schaufelreihe im Überschallbereich liegt.

Die Aufgabe des Kompressors oder Gebläses in einem Gasturbinentriebwerk besteht darin, den Luftdruck anzuheben und das Luftvolumen zu reduzieren, wenn es durch das Triebwerk gepumpt wird. Der Kompressor hat eine Vielzahl von axial hintereinander angeordneten Stufen, wobei jede Stufe aus einer Reihe von sich drehenden Schaufeln (Rotorschaufeln) besteht, denen eine Reihe stationärer Schaufeln (Statorglieder) nachgeschaltet ist. Innerhalb jeder Stufe wird der Luftstrom durch den Rotor beschleunigt und durch den Stator mit dem Ergebnis des Entstehens eines Druckanstieges abgebremst, wobei das Druckverhältnis von jeder nachfolgenden Stufe vervielfacht bzw. verstärkt wird. Die Querschnittsfläche des Kompressors nimmt von dessen Niederdruckende zu dessen Hochdruckende allmählich ab, um die axiale Geschwindigkeit der Luft beizubehalten, wenn der Druck ansteigt. Jede Rotorschaufel

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und Statorschaufel hat einen Luftflügelquerschnitt, und die Anzahl sowie Größe ändern sich von Stufe zu Stufe, da die Luftkanäle bzw. -durchgänge durch den Kompressor allmählich abnehmen.

Die hineingesteckte Arbeitsleistung des Rotors (das heißt die auf die Luft ausgeübte Arbeit) ist allgemein eine Funktion der Differenz zwischen dem Quadrat der absoluten Geschwindigkeiten der den Rotor verlassenden und in den Rotor eintretenden Luft plus der Differenz des Quadrats der relativen Geschwindigkeiten der in den Rotor eintretenden und den Rotor verlassenden Luft. Somit kann die Energiezufuhr pro Stufe durch Vermindern der einlaßseitigen absoluten Geschwindigkeit und der relativen Ablaßgeschwindigkeit oder durch Vergrößern der einlaßseitigen relativen Geschwindigkeit sowie der absoluten Ablaßgeschwindigkeit vergrössert werden. Es ist klar, daß beide Alternativwege beschränkt sind. Die absolute Einlaßgeschwindigkeit wird durch die Strömungskapazität des Kompressors bestimmt und kann nicht in einer praktischen Weise einfach eingestellt werden, um die hineingesteckte Leistung zu steuern. Die Möglichkeit einer Verminderung der relativen Ablaßgeschwindigkeit ist durch den zulässigen widrigen Druckgradienten in den Rotorkanälen bzw. -durchgängen zwischen den Schaufeln begrenzt. Deshalb lassen sich höhere Kompressionsverhältnisse pro Stufe leichter durch Vergrößern der Werte der relativen Einlaßgeschwindigkeiten und absoluten Ablaßgeschwindigkeit erreichen. Da diese Geschwindigkeiten im wesentlichen die relativen Geschwindigkeiten in den Rotor- und den nachfolgenden Statorkanälen sind, können große Stoß- bzw. Stoßwellenverluste erzeugt werden, wenn diese Geschwindigkeiten in den Überschallbereich kommen können. Andererseits führt das Erfordernis, daß die relative Rotoreinlaßgeschwindigkeit im Unterschallbereich liegt, zu Beschränkungen bezüglich der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors. Somit können die Erfordernisse einer großen Kompressorkapazität und eines großen Stufenkompressionsverhältnisses nicht in einer herkömmlichen Unterschallmaschine erfüllt werden. Es ist dann klar, daß Oberschallkompressoren (das heißt Axialstromkompressoren mit relativen Oberschallgeschwindigkeiten an der Rotorschaufelvorderkante) beträchtliche Gewichts- und Größeneinsparungen für irgendeine vorbestimmte Strömungskapazität und irgendein Druckverhältnis

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ergeben, wenn nur dafür gesorgt wird, daß sie auch so gestaltet sind, daß die Problematik der Stoßwellenverluste reduziert ist.

Dementsprechend ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mechanismus zum Reduzieren der Größe von Stoßwellenverlusten in den Rotoren von überschallkompressoren zu schaffen.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerk-Kompressors in der Weise, daß die Stoßwellenverluste vermindert werden.

Kurz gesagt und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sowie den oben angeführten Zielen ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Verbessern der Betriebsweise einer Uberschallturbomaschine, wie eines Kompressors, durch Verringern der darin auftretenden Stoßwellenverluste vorgesehen. Dieses herfahren zeichnet sich dadurch aus, daß der Umfang des Rotors mit zumindest einer Sammelleitung versehen wird, die sich in FluidbLrömungöverbindung mit den Kanälen bzw. Durchgängen zwischen angrenzenden Rotorschaufeln befindet. Ein Teil der Luft wird aus den Kotorkanälen abgezogen bzw. extrahiert und zu irgendeiner Stelle in dem Triebwerk geleitet. Die Menge der zu entziehenden Luft wird als Funktion der stromaufwärtigen relativen Mach-Zahl des Rotors gesteuert. Auf diese Weise kann eine Reihe von schrägen Stoßwellen in den Kanälen bzw. Durchgängen auch bei Betriebsbedingungen ausserhalb des Beinessungsbetriebszustandes beibehalten werden, und es wird verhindert, daß stromaufwärts von der Schaufelreihe eine rechtwinklige bzw. normale Stoßwelle entsteht. Ein Wirkungsgradgewinn (das heißt verminderte Verluste) ergibt sich dadurch, daß ein Normalstoßwellenverlust nur nach einer beträchtlichen Größe einer wirksamen Kompression durch die schräg verlaufende Stoßwellenstruktur hingenommen wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - in einem schematischen Querschnitt einen Teil eines Gasturbinentriebwerkgebläses nach der vorliegenden Erfindung,
Figuren 2 - 6 - in abgewickelten zylindrischen Schnitten an den

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Schaufelspitzen die Veränderung der Stoßwellenstruktur mit der Schaufeldrehgeschwindigkeit bzw. -drehzahl (das heißt der relativen einlaßseitigen Mach-Zahl) von typischen Rotorschaufeln, die denjenigen des Gebläses aus Figur 1 ähneln, mit dreiseitigem Profil und die zugeordnete Druckbelastungsverteilung,

Figur 7 - in graphischer Weise die aerodynamischen Betriebsparameter der vorliegenden Erfindung und

Figuren 8 - 11 - in einer den Figuren 2-6 entsprechenden Weise die Veränderung der Stoßwellenstruktur mit der Drehzahl bei einem modifizierten Satz von Rotorschaufeln entsprechend der vorliegenden Erfindung und die zugeordnete Druckbelastungsverteilung.

In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche: niuwei »zahlen einander entsprechende Elemente. Zuerst wird auf Figur 1 verwiesen, in der ein allgemein bei 1o dargestelltes Gasturbinentriebwerkgebläse nach der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist. Dieses Gebläse, das repräsentativ fUr eine typische Turbomaschine ist, hat einen drehbaren Rotor 12, der an seinem Umfang Schaufeln 14 trägt und dem ein Stator 16 mit Leitflügeln folgt bzw. nachgeschaltet ist. Der Rotor und der Stator bilden eine Turbomaschinenstufe, die innerhalb koaxialer (coannular) Gehäuse bzw. Ummantelungen 2o und 22 angeordnet ist, welche in Verbindung miteinander einen ringförmigen Strömungskanal 23 bilden. Der Rotor ist an einer Antriebswelle 24 angebracht, die ihrerseits von einer nicht dargestellten Turbine drehbar angetrieben wird, gewöhnlich von einem Gasturbinentriebwerk. Die feststehenden, nicht drehbaren Statorleitflügel (die vom bereichs- bzw. flächenvariablen Typ sein können) sind an den Gehäusewandungen durch bekannte Mittel festgelegt. Im Betrieb tritt Luft in einen Einlaß 26 ein, der zum Teil von einer Nabenhaube oder einem stationären Mittelkörper 28 begrenzt wird. Die Luft wird durch die Rotorschaufeln 14 beschleunigt und danach durch die Statorleitflügel 18 gestreut sowie abgebremst, wobei sich ein Druckanstieg ergibt. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die Massenstrom- bzw. Durchflußgeschwindigkeit der Luft und die Rotations-

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geschwindigkeit des Rotors dergestalt, daß die Vorderkanten der Schaufeln 14 einem Uberschallstrom von darauf auftreffender Luft ausgesetzt sind. Die obige Beschreibung ist typisch für viele heutige Gasturbinentriebwerk-Kompressionsvorrichtungen und nicht auf Gebläse beschränkt aufzufassen, wie es leicht aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, wonach die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf irgendeine Überschall-Turbomaschinenkompressionsstufe anwendbar ist, sei es nun ein Gebläse oder ein mehrstufiger Kompressor. Die vorstehende Beschreibung der Betriebsweise des in Figur 1 dargestellten Gebläses ist deshalb nur beispielhaft für eine Anwendungsart aufzufassen.

Konstruktionstechniken zum Erreichen einer hohen Kompressionsleistungsfähigkeit in Gebläse- und Kompressorstufen, die für einen Uberschallbetrieb bezüglich der einlaßseitigen Mach-Zahlen bestimmt sind, können entsprechend der relativ stromaufwärtigen und stromabwärtigen Mach-Zahlen klassifiziert werden. Die Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung ist bei Kompressionsstufen zu erwarten, die eine relative stromaufwärtige Mach-Zahl von größer als 1,55 und eine relativestromabwärtige Mach-Zahl zwischen o,95 und 1,1 haben. Die Theorie der Gasdynamik zeigt, daß dieser Auslegungszustand eine Einengung des Strömungsbereichs durch'die Durchgänge zwischen umfangsmäßig angrenzenden Paaren von Rotorschaufeln 14 um 15 % erfordert, wenn der Luftstrom von der stromaufwärts zur stromabwärts gelegenen Seite der Schaufeln gelangt.

Für eine typische Anwendung der vorliegenden Erfindung wird zuerst auf Figur 2a verwiesen, die einen abgewickelten zylindrischen Schnitt durch den Spitzenbereich eines Uberschallrotors darstellt, wobei eine Kaskade 3o von zwei angrenzenden Rotorschaufeln 14 mit allgemein dreieckigem Profil gezeigt ist. Diese dreiseitige bzw. dreieckige Kaskade wird als vereinfachtes Beispiel benutzt, um das Phänomen des Uberschallkompressorstroms zu erläutern, und es ist festzustellen, daß tatsächliche Kompressorrotor-Schaufelformen wesentlich komplizierter sind, wie es nachfolgend gezeigt wird. Die hier erörterten Prinzipien sind jedoch weitgehend übereinstimmend. Diese Kaskade dient zum Betrieb bei einer korrigierten bzw. umgerechneten Schaufelgeschwindigkeit von etwa 488 m/sec (16oo ft/sec). Für diesen Betriebszustand erzeugt die

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Kaskade einen solchen Luftstrom, daß sich parallel zur ebenen Saugbzw. Unterdruckoberfläche 36 ein relativ stromaufwärtiger Geschwindigkeitsvektor 34 mit einer Mach-Zahl (H.) von 1,6 ergibt. An der Druckseite 4o der keilförmigen Vorderkante 42 wird eine schräg verlaufende Stoßwelle 38 erzeugt, wodurch an dem Luftflügel eine Druckbelastung auftritt und der statische Druck sowie die Enthalpie der Luft angehoben werden. Die Stoßwelle 38 breitet sich über den Durchgang 44 zwischen umfangsmäßig angrenzenden Schaufelpaaren aus und schneidet bzw. durchsetzt die ebene Saug- bzw. Unterdruckoberfläche an ihrer Hinterkante 46. An dieser Hinterkante wird eine schräg verlaufende, reflektierte Stoßwelle 48 mit etwa der doppelten Stärke der auftreffenden Stoßwelle 38 erzeugt. Diese reflektierte Stoßwelle breitet sich über den Kaskadendurchgang 44 aus und schneidet die Druckoberfläche nahe ihrem Zentrum. Eine Ecke 5o an der Druckoberfläche sorgt für eine Anpassung der Ablenkung der Stoßwelle, hebt diese auf und überläßt einen gleichförmigen, die Kaskade in Stromabwärtsrichtung verlassenden Strom. Es sind Verfahren zum Bestimmen des Vorderkanten-Keilwinkels, des Kaskaden-Ausfüllungsgrades (das heißt des Verhältnisses der Schaufeltiefe zum Umfangsabstand) und der Reflexionsstoßwellenstarke bekannt, wie es für eine vorbestimmte Leistungszufuhr und ein sich ergebendes Druckverhältnis erforderlich ist. Beispielsweise hat die in Figur 2 für Erläuterungszwecke gewählte Kaskade einen Vorderkantenkeilwinkel von 4,89°, einen Ausfüllungsgrad von 1,316 und eine Reflexionsstoßwellenablenkung von 9,17°, was zu einer relativen austrittsseitigen Mach-Zahl (M₂) von 1,o57 und einem nominellen Stufendruckverhältnis von 1,84 unter Berücksichtigung eines repräsentativen Statordruckverlustes führt. Die Bezeichnungen β .. und β 2 repräsentieren die einlaß- und auslaßseitigen relativen Luftwinkel, gemessen von der axialen Richtung (Figur 2a).

Teilgeschwindigkeits-Betriebseigenschaften der Kaskade aus Figur 2a sind in den Figuren 3a - 6a dargestellt. Bei Schaufeldrehzahlen und relativen Mach-Zahlen etwas unterhalb des ausgelegten Betriebszustandes (Figur 3a) steigt der Wellenwinkel der Vorderkanten-Stoßwelle 38 langsam bzw. etwas an, und die Stoßwelle schneidet die Saug- bzw. Unterdruckfläche 36 der gegenüberliegenden Schaufel etwas stromaufwärts von der Hinterkante an einem

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Punkt 52, wo die Welle dann als Stoßwelle 54 reflektiert wird. Eine separate und dem an der Kaskade vorliegenden Rückdruck entsprechende Hinterkanten-Stoßwelle 56 wird an der Hinterkante 46 erzeugt, wobei diese Stoßwelle schnell mit der reflektierten Stoßwelle verschmilzt. Die kombinierte Stärke der reflektierten und der Hinterkanten-Stoßwellen (54, 56) kann ausreichend sein, um den Strom auf eine Unterschallgeschwindigkeit abzubremsen, insbesondere nahe der Druckoberfläche 4o, wenn die Welle stromaufwärts von der Aufhebungsecke 5o auftrifft. Ein gewisser örtlicher Unterschallstrom ist zulässig, ohne daß der grundsätzliche schräg verlaufende Stoßwellenaufbau gestört wird.

Bei noch niedrigeren Schaufeldrehzahlen oder bei höheren Werten des Rückdrucks kommt der gesamte Strom stromabwärts von der Hinterkanten-Stoßwelle 48 in den Unterschallbereich zu liegen. Bei diesem Zustand ist die schräge Stoßwellenstruktur instabil, und die Kaskade gelangt in den "ungestarteten" Zustand. Dieser zeichnet sich durch das Auftreten starker, normal bzw. rechtwinklig verlaufender Stoßwellen aus, wodurch sich eine Reduzierung des Luftstroms und niedrigere Druckverhältnisse ergeben. Wie es am besten in Figur 4a dargestellt ist, wo sich der Rotor mit 96 % der Bemessungsdrehzahl dreht, erfolgt eine diskontinuierliche Umkehrung der Strömung bis zu einem vollständigen Unterschallkanalzustand, bei dem eine rechtwinklige Stoßwelle 58 quer zum Einlaß des Kanals 44 auftritt. Eine solche rechtwinklige Stoßwellenkonfiguration ist mit Verlusten verbunden, die beträchtlich größer als bei einer schrägen Stoßwellenkonfiguration bzw. -verteilung sind. Da der Kaskadendurchgang konvergent ist, kann die Mach-Zahl (M~) am Kanaleingang unmittelbar hinter der Stoßwelle nicht größer als diejenige sein, die der eindimensionalen Beschleunigung auf Schallgeschwindigkeit (M₂ = 1,o an dem Auslaß) durch das der Kanalkonvergenz zugeordnete bestimmte Flächenverhältnis entspricht. In dem Beispiel aus Figur 4a beträgt diese Mach-Zahl etwa ο,69. Wenn die Mach-Zahl (M.) stromabwärts von einer normalen bzw. rechtwinkligen Stoßwelle, die sich stromaufwärts von dem Kanaleinlaß befindet (bei einer stromaufwärtigen relativen Mach-Zahl im Überschallbereich) größer als die maximale Kanaleinlaß-Mach-Zahl, wie in Figur 5a bei 86 % der Bemessungsrotationsgeschwindigkeit ,

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ist, muß die normale Stoßwelle 58 weit genug vor dem Kanaleinlaß liegen, um Raum für eine Strömungsabbremsung zu haben. Die Stoßwelle an irgendeiner bestimmten Schaufel 14 wird nach dem Passieren vor der Vorderkante der angrenzenden Schaufel 14 proportional zur Abstandsdistanz d gedämpft (siehe Figur 6a bei 79 % der B einessungsrotationsgeschwindigkeit). Bei einer bedeutenden Abstandsdistanz kann sich ein spürbarer Stoßwellenverlust über mehrere Schaufeldurchgänge ergeben.

Die Strömung sowie das Druckpumpen (pressure pumping) und der Stufenwirkungsgrad (einschließlich eines repräsentativen Statorverlustes von 1o % seines angenäherten dynamischen Drucks) nach Berücksichtigung der Verlust- und überlaufCharakteristiken (loss and spillage characteristics) des Teilgeschwindigkeits-Stoßwellenaufbaues können abgechätzt werden und sind in den Figuren 7a, 7b und 7c als durchgezogene Linien dargestellt. Bei der Näherung ist ein ausreichend kleiner Rückdruck an der Kaskade über den gesamten Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich angenommen, so daß der Rotorkanal-Düsenstrom nicht im Unterschallbereich liegt (das heißt er verbleibt im Schallbereich). An dieser Stelle muß darauf hingewiesen werden, daß die Figuren 3-6 Betriebsbedingungen an einer etwas tieferen Betriebslinie als im Falle einer tatsächlichen Turbomaschine repräsentieren. Jedoch sind die hier aufgezeigten Tendenzen repräsentativ, und sie genügen für die vorliegende Erläuterung. Mit realistischeren Rückdrücken bei Teilgeschwindigkeit bzw. -drehzahl würde die erzeugte bzw. induzierte Strömung kleiner sein, und der Verlust aufgrund der Normalstoßwellenstruktur würde noch größer als aufgezeigt sein.

Zusätzlich zu der Diskontinuität bezüglich der Leistungsfähigkeit während des 'Startens* bei 96 % der umgerechneten Bemessungsgeschwindigkeit gehört zu den unerwünschten Eigenschaften der Kaskadengestaltung gemäß den Figuren 2a - 6a eine plötzliche Änderung der Torsionsmomente aufgrund einer aerodynamischen Belastung. In dem 'ungestarteten" Bereich unter 96 % Geschwindigkeit unterliegt die Schaufel einer starken Vorderkantenbelastung mit großen Drücken an der Oberfläche 4o aufgrund der Unterschallströmung hinter der Normalstoßwelle und mit niedrigem bzw. kleinem Druck an der Saug- oder Unterdruckfläche 36 nach der Unterschallausbreitung

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um die Schaufelvorderkante. Die Hinterkantenbelastung neigt dazu, klein zu sein, wo die relativ austrittsseitige Unterschallströmung ihren Einfluß auf die freiliegende Druckoberfläche ausweitet und die Unterschall-Kanalströmung anpaßt. Die Figuren 2b - 6b zeigen die örtliche Druckbelastung an der linksseitigen Schaufel einer jeden Kaskade, wobei die Belastung als die Änderung im statischen Druck gegenüber dem Umgebungsdruck geteilt durch den einlaßseitigen dynamischen Druck definiert ist. Wie es in den Figuren 4b, 5b und 6b dargestellt ist, neigen die Belastungen zu einem auf die Schaufel einwirkenden, im Gegenuhrzeigersinn gerichteten Kippmoment. In dem 'gestarteten' Zustand über 96 % Bemessungsgeschwindigkeit gemäß den Figuren 2a und 3a unterliegt die Schaufel einer starken Uinterkantenbelastung, da der der Unterschallströmung zugeordnete niedrige Druck sich über die gesamte Saug- bzw. Unterdruckoberfläche 36 ausweitet, während sich für die stromabwärts gelegene Hälfte der Druckoberfläche 4o in bezug auf die stromaufwärts gelegene Hälfte etwa die dreifache Kompression ergibt.

Wie es zuvor erwähnt wurde, werden die dreiseitigen Flügelkaskaden der Figuren 2-6 lediglich als beispielhaft benutzt, und tatsächliche Kompressorstufen wurden aufgrund der Stoßwellenstruktur viel größere Verluste als das dreiseitige Flügelmodell haben. Tatsächlich führt der übergang von der 'ungestarteten' zur 'gestarteten' Strömung vielfach zu einer Strömungsdiskontinuität (nicht in Figur 7a dargestellt), wie zu den zuvor erörterten Unregelmäßigkeiten, die bezüglich der Schaufelkraft und des Wirkungsgrades bzw. der Leistungsfähigkeit auftreten.

Zusammengefaßt neigt die maximale Innenkanalkontraktion, die bei einer Uberschallströmung möglich ist, unter angemessener Berücksichtigung der Massen- bzw. Mengenerhaltung zu einer Vergrößerung mit zunehmender einlaßseitiger relativer Mach-Zahl. So würde man erwarten, daß schneilaufende Kompressoren und Gebläse mit einer großen Innenkanalkontraktion bzw. -Verengung ausgelegt werden sollten. Dies ist jedoch nicht allgemein der Fall, da bei Geschwindigkeiten unter dem Bemessungsbetriebszustand die Konvergenz zu groß sein würde, um die Strömung im Überschallbereich hindurchzulassen. Stattdessen würde die Strömung 'ungestartet' werden, mit einer großen Normalstoßwelle, die unmittelbar in oder vor dem

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Schaufelkanal steht und große Verluste erzeugt. Um eine derartig schlechte Teilgeschwindigkeit-Leistungsfähigkeit zu vermeiden, sind die meisten Kompressoren und Gebläse als Kompromiß ausgelegt, und sie haben eine kleinere Konvergenz als im optimalen Bemessungspunkt, wodurch die Bemessungspunkt-Leistungsfähigkeit reduziert wird. Die nunmehr zu beschreibende Erfindung bildet eine Alternative zu dieser kompromißbehafteten Auslegungssituation.

Eine gewisse Steigerung bezüglich der Kaskadenbemessung-Sophist ikation erscheint wünschenswert, um die schlechte Wirkung der 'ungestarteten' Strömung bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten bzw. -drehzahlen zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung erzielt eine Verbesserung bezüglich der Leistungsfähigkeit durch den günstigen Einfluß einer über dem Rotor erfolgenden Abzapfung (overthe-rotor bleed), wodurch ein schräges Stoßwellenmuster innerhalb des Kaskadenkanals aufrechterhalten bleibt, indem die eifektive Kanalkonvergenz reduziert wird, um es der Strömung zu ermöglichen, im Überschallbereich durch den Kanal (oder zumindest durch den größten Teil des Kanals) zu gelangen. Eine mögliche, wenn auch in keiner Weise beschränkende Flügelkonfiguration zum Erreichen dieses Ziels ist in den Figuren 8-11 dargestellt. Dort sind zwei modifizierte Schaufeln bzw. Flügel 14* aufgezeigt, die jeweils einen mit der einfachen dreiseitigen Flügelkaskade aus Figuren 2 6 übereinstimmenden Vorderkantenkeil haben. Die Saug- bzw. Unterdruckoberfläche 62 ist jedoch nicht mehr flach bzw. eben, sondern hat eine Kompressions- bzw. Druckecke (compression corner) 64 über den Kanal 66 von der angrenzenden Vorderkante 68, wobei die Ablenkung dem Keil ähnelt. Es sind die Vorderkanten-Stoßwelle 7ο an der Saug- bzw. Unterdruckoberfläche bei 72 und die Druckecken-Stoßwelle 74 an der Druckoberfläche bei 76 aufgehoben, wobei ein Parallelwandungskanal verbleibt, dessen Fläche bzw. Bereich gegenüber dem Kanaleinlaß reduziert ist. Eine separate Hinterkanten-Stoßwelle 78 wird durch den Rückdruck an der Kaskade erzeugt und an der Druckoberfläche bei 8o aufgehoben. Die Stoßwellenablenkungen für eine solche modifizierte Dreieck 'Doppel-Kompression' Kaskade unterliegen derselben Beziehung wie diejenigen für die einfache Dreieck-Flügel-Kaskade aus den Figuren 2-6. Jedoch zeigt die Doppel-Kompression-Kaskade eine bedeutende Verbesserung bezüglich

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der Leistungsfähigkeit bei reduzierter Geschwindigkeit, indem eine Kompression durch ein oder zwei schräge Stoßwellen vor einer endgültigen Normalstoßwellenkompression möglich ist.

Die Betriebsweise für die 'Doppel-Kompression¹ Kaskade aus Figur 8a erfordert eine ausreichende innere Kanalabzapfung, um ein Einrichten der Kanaleinlaß-Normalstoßwelle bei einer niedrigeren Geschwindigkeit als der umgerechneten Bemessungspunkt-Rotationsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Eine Vergrößerung des wirksamen Kanalbereichs, insbesondere am Auslaß, modifiziert die einlaßseitige Mach-Zahl, um einen 'gestarteten' Zustand statt des 'ungestarteten' Strömungszustands beispielsweise gemäß Figur 5a zu ermöglichen. Somit wird eine weitgehende Verbesserung der Leistungsfähigkeit für den durch die Kaskade gelangenden Teil der Strömung erreicht, und zwar durch Vermeiden von Verlusten aufgrund des freistehenden Stoßwellenaufbaues (standoff shock structure). Es wird nunmehr auf die Figuren 9a - 11a im Geschwindigkeitsbereich zwischen 84 und 9o % der umgerechneten Drehzahl bzw. Geschwindigkeit Bezug genommen, und es kann gezeigt werden, daß die Strömung im Überschallbereich bleiben kann nach Abbremsung durch eine schräge Stoßwelle am Vorderkantenkeilwinkel, jedoch nicht durch zwei solche Ablenkungen. Die Abzapfsteuerung nach der vorliegenden Erfindung wird benutzt, um eine normale Stoßwelle 81 an etwa der Stelle beizubehalten, wo sich die zwei einzelnen Kompressions- bzw. Druckwellen treffen (Figur 1oa).

Gemäß Figur 1 ist eine Kanalwandung 2o mit einem Paar von Sammelleitungen 82, 84 versehen, die sich in Umfangsrichtung um die Spitzen der Rotorschaufeln 14 erstrecken, öffnungen 86, 88 sorgen für eine Fluidströmungsverbindung zwischen dem ringförmigen Strömungskanal 23 und den Leitungen 82, 84. Wie es am besten in den Figuren 9a und 1oa dargestellt ist, ist die axiale Anordnung der Sammelleitungen und Öffnungen dergestalt, daß die Öffnung 86 eine Strömungsverbindung zwischen dem Raum bzw. der Sammelleitung 82 und etwa dem dritten Viertel der axialen Projektion des Kanals 66 zwischen den Rotorschaufeln 14' herstellt, während die öffnung 88 eine Strömungsverbindung zwischen dem Raum bzw. der Sammelleitung 84 und etwa dem letzten Viertel der axialen Projektion des Kanals herstellt. Gemäß Figur 1 sind die Sammelleitungen 82 und 84

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mittels Leitungen 94 und 96 an ein Ventilsystem 98 angeschlossen, das durch eine bekannte Art eines Triebwerk-Treibstoffsteuerungssystems 1oo betrieben wird. Alle zum Bestimmen der Position des Ventilsystems 98 notwendigen Parameter (wie die Schaufeldrehzahl) sind normalerweise in der Steuerung als eine Funktion eines Pilotensteuerungshebels 1o2 erhältlich und müssen hier nicht, herausgearbeitet werden. Vorzugsweise wird von dem Rotorabschnitt abgezapfte Luft über eine Leitung 1o4 geführt, um irgendwo in dem Zyklus ausgenutzt zu werden, beispielsweise um eine Kühlfluidquelle für den Turbinenabschnitt des Triebwerks (nicht dargestellt) zu bilden.

Durch Modulieren der Strömungsabnahme von den Leitungen 82 und 84 kann die Position der Normalstoßwelle 81 stromabwärts von den schrägen Stoßwellen und etwa an der Stelle 1o3 gehalten werden, wo sich die zwei einzelnen schrägen Kompressions- bzw. Druckstoßwellen treffen. Der Vorteil einer solchen Ausführung besteht darin, daß sich ein Gewinn bzw. eine Verstärkung der Leistungsfähigkeit ergibt, da der Normalstoßwellenverlust nur hingenommen wird, nachdem ein beträchtliches Maß an wirksamer Kompression durch den schrägen Stoßwellenaufbau erfolgt ist. Bei dem in Figur 9a aufgezeigten umgerechneten 9o % Geschwindigkeitszustand können sich die zwei einzelnen Druckstoßwellen 7o, 74 zu einer doppelten Kompression überlappen, und die Strömung verbleibt im Überschallbereich. Die Normalstoßwelle ist dann vollständig auf den Bereich stromabwärts von dem Doppelstoßwellenbereich beschränkt, was zu einem weiteren Gewinn bezüglich der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrades führt. Bei den in Figur 11a dargestellten noch kleineren Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen ist die Abzapfmenge dergestalt, daß die Normalstoßwelle 81 nicht weiter vor dem Einlaß des Kanals 66 steht, so daß der der Stoßwelle zugeordnete Verlusteffekt auf einen Kanal beschränkt und nicht über mehrere Kanäle verteilt bzw. zerstreut ist, wie es gemäß den Figuren 5a und 6a der Fall-war.

Es ist erwünscht, die relativen Abzapfraten durch die Sammelleitungen 82 und 84 als Funktion der Schaufelbetriebsbedingung zu modulieren. Beispielsweise würde die Sammelleitung 82 in dem in Figur 9a dargestellten Zustand die Zone relativ niedri-

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gen Drucks hinter der schrägen Stoßwelle 74 und die Zone höheren Drucks hinter der Normalstoßwelle 81 erfassen. Hierdurch würde die Neigung zu einem Herstellen eines Luftumlaufs durch die Sammelleitung von den Hochdruck- zu den Niederdruckzonen und somit zum Zerreißen bzw. Aufheben des Stoßwellenaufbaues bestehen. Dementsprechend sollten die Sammelleitung 82 geschlossen und nur die Sammelleitung 84 zum Herstellen des erwünschten Stoßwellenmusters benutzt werden. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten gemäß Figur 1oa sind die Druckschwankungen beträchtlich reduziert, und es können beide Sammelleitungen geöffnet werden, um zum Wiederherstellen des Stoßwellenaufbaues eine vergrößerte Abzapfkapazität zu bilden.

Gemäß den Figuren 7a, 7b und 7c, in denen die charakteristischen Kurven für die Schaufelkaskade aus den Figuren 8a 11a durch gestrichelte Linien dargestellt sind, ist es klar, daß der höhere Pegel der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrades über einen breiteren Geschwindigkeitsbereich beibehalten wird und daß der Beginn des 'ungestarteten' Zustande zu einer sehr viel niedrigeren Geschwindigkeit bzw. Drehzahl verlagert ist (84 % gegenüber 96 %). Auch das Druckverhältnis und die Strömung bleiben bei höheren Pegeln. Es sind auch die Figuren 8b - 11b zu beachten, in denen die Druckbelastungsverteilungen deutlich zeigen, daß keine Umkehrung oder Diskontinuität bezüglich des Biegemoments aufgrund einer aerodynamischen Belastung vorliegt und daß das Kippmoment im Gegenuhrzeigersinn verbleibt.

Das erfindungsgemäße Prinzip eines Abzapfens von Luft aus dem Bereich zwischen den Rotorschaufeln zum wirksamen Reduzieren der Innenkanalkontraktion ist auf die verallgemeinerte dreiseitige bzw. dreiwinklige Flügelkaskade gemäß den Figuren 2a - 6a in derselben Weise anwendbar, wie es unter Bezugnahme auf die modifizierte Kaskade aus den Figuren 8a - 11a beschrieben wurde. Jedoch würde in dem erstgenannten Fall der mögliche Leistungsfähigkeitsgewinn nur etwa ein Drittel desjenigen der modifizierten Kaskade betragen, die eine Vorkompression der Luft durch eine Schrägstoßwellenstruktur stromaufwärts von der Abzapfluft-Extraktionsöffnung hat. Während somit die vorliegende Erfindung auf einen weiten Bereich von Flügelgeometrien anwendbar ist, ist der Grad der Leistungsfähigkeitsverbesserung nicht immer derselbe. Es ist

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auch darauf hinzuweisen, daß die Diskontinuität in der Wirkungsgradkurve aus Figur 7c noch auftritt, obwohl ihr Einsatz bzw. Beginn verzögert und ihre Größe verkleinert sind. Für die beispielhaft gewählte bestimmte Kaskade wird abgeschätzt, daß etwa 80 9o % der erzielbaren Wirkungsgradverbesserung durch Verzögern des Beginns des 'ungestarteten* Zustands auf 84 % der Geschwindigkeit erreicht wurde und daß Versuche zum weiteren Reduzieren nicht notwendig wären.

Dem Fachmann sollte es klar sein, daß im Rahmen der oben beschriebenen Erfindung gewisse Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können. Beispielsweise zeigt die Ausführungsform aus Figur 1 ein Paar von Sammelleitungen, und zwar eine über jedem der etwa hinteren zwei Viertel des Strömungskanals. Es ist klar, daß irgendeine Anzahl solcher Sammelleitungen über der Schaufel angeordnet werden kann, und zwar in Abhängigkeit von dem erwünschten Grad der Bereichsmodulation zum Beibehalten der wirksamen Schrägstoßwellenstruktur. Um jedoch die vorliegende Erfindung optimal auszunutzen, sollte sie in Verbindung mit einer Flügelprofilform angewendet werden, die ein gewisses Maß an Kompression bzw. ein gewisses Verdichtungsverhältnis für ein schräges Stoßwellenmuster vor der Abzapfsammelleitungsstelle erzeugt. Die Erfindung ist gleichermaßen auf stationäre Schaufelreihen anwendbar, wo die absolute Vorderkantengeschwindigkeit im Überschallbereich liegt. Diese und alle anderen Abwandlungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein.

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Claims

4315-13DV-5969 General Electric Co. Ansprüche

1.^Turbomaschine mit einer Schaufelreihe, die in einem Luftstrom ^^ angeordnet und dazu bestimmt ist, an den Schaufelspitzen mit einer einlaßseitigen relativen Mach-Zahl im Überschallbereich zu arbeiten, wobei jedes Paar von umfangsmäßig angrenzenden Schaufeln dazwischen einen allgemein konvergierenden Strömungskanal bestimmt, gekennzeichnet durch Mittel (82, 84, 86, 88) zum Extrahieren von Luft aus den Kanälen (44) zwischen den Schaufeln (14), und zwar in einer zur einlaßseitigen relativen Mach-Zahl allgemein in umgekehrtem Verhältnis stehenden Menge, wobei die Extraktionsmenge bei der Bemessungsbetriebsbedingung im wesentlichen Null beträgt und die Extraktionsmenge bei niedrigeren einlaßseitigen relativen Mach-Zahlen dergestalt ist, daß die effektive Konvergenz durch den Kanal (44) reduziert wird, um hierdurch das Stoßwellenmuster wiederherzustellen.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Ummantelung bzw. ein Gehäuse (2o) enthält, daß die Schaufelreihe innerhalb des Gehäuses entsprechend ausgerichtet ist, um Luft unter Druck zu setzen und von der stromaufwärts zur stromabwärts gelegenen Seite des Kanals zu blasen, und daß die Extraktions- bzw. Luftentziehungsmittel zumindest einen dem Gehäuse (2o) zugeordneten sowie die Schaufelspitzen umschreibenden Verteiler (82, 84) und durch das Gehäuse (2o) geführte Öffnungsmittel (86, 88) zum Bilden einer Fluidströmungsverbindung zwischen den Schaufelkanälen (44) sowie dem Verteiler (82, 84) aufweisen.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsmittel (86, 88) über den Schaufelspitzen und stromabwärts von dem Kanaleinlaß angeordnet sind.

4. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsmittel eine Vielzahl von die Schaufelspitzen umschreibenden Verteilern (82, 84) aufweisen, wobei jede Sammelleitung (82, 84) durch das Gehäuse (2o) geführte Öffnungsmittel (86, 88) zum Bilden einer Fluidströmungsverbindung zwischen den Schaufelkanälen (44) und der entsprechenden Sammelleitung (82, 84) enthält.

5. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gasturbinentriebwerk aufweist.

6. Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelreihe einen Gebläserotor (12) aufweist.

7. Turbomaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionsmittel Ventilmittel (98) zum Modulieren der Extraktionsrate durch die Sammelleitung (82, 84) und Treibstoffsteuerungsmittel (1oo) enthalten, die betriebsmäßig mit den Ventilmitteln (98) verbunden sind, um diese in Abhängigkeit von gemessenen Parametern, einschließlich der Rotordrehzahl, zu positionieren.

8. Turbomaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) ein Umfangsprofil haben, welches bei den Beroessungsbetriebszustand eine Vorkompression der Luft induziert, und zwar durch ein Paar von schrägen Stoßwellen in der Nähe des Kanaleinlasses und stromaufwärts von den Öffnungsmitteln (86, 88).

9. Turbomaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftextraktionsmenge bei einem Teilgeschwindigkeit-Betriebszustand ausreichend ist, um eine Vorkoxnpression der Luft durch zumindest eine schräge Stoßwelle vor einem Normalstoßwellenverlust in dem Kanal (44) zu erzielen.

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lo. Verfahren zum Betreiben einer Turbomaschine mit einer in einem Luftstrom angeordneten Schaufelreihe, die für einen Betrieb bei einer einlaßseitigen relativen Mach-Zahl im Überschallbereich ausgelegt ist, wobei jedes Paar von umfangsmäßig angrenzenden Schaufeln dazwischen einen allgemein konvergierenden Strömungekanal bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Kanälen eine in umgekehrtem Verhältnis zur einlaßseitigen relativen Mach-Zahl stehende Luftmenge entzogen wird, daß die Extraktionsraenge bei dem Bemessungsbetriebszustand im wesentlichen Null ist und daß die Extraktionsmenge bei niedrigeren einlaßseitigen relativen Mach-Zahlen dergestalt ist, daß die effektive bzw. wirksame Konvergenz durch den Kanal reduziert wird, um hierdurch das Stoßwellenmuster wiederherzustellen.

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