DE2835349C2

DE2835349C2 - Verstelleitgitter für hochbelastete Verdichter, insbesondere von Gasturbinentriebwerken

Info

Publication number: DE2835349C2
Application number: DE2835349A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8060 Dachau Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1978-08-11
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1979-12-20
Also published as: FR2433118A1; DE2835349B1; FR2433118B1; GB2028438A; GB2028438B; US4231703A

Description

a) Im Oberlappungsbereich zweier benachbarter Schaufeldrehteller (4) weist der ausschließlich der jewejßgen Schaufelsaugseite benachbarte ,₀ Drehtellerteil (5) einen aus drei übergehenden Kreisbögen (6,7,8) gebildeten Ausschnitt auf;

b) der Ausschnitt ist durch zwei hintereinander liegende, zur Schaufelsaugseite hin gekrümmt verlaufende Partien (9, 10) charakterisiert, deren jeweilige Krümmung durch den Tellerradius (R) definiert ist, wobei ein gegen den benachbarten Tellerrand gerichteter, gekrümmt verlaufender Obergangsabschnitt (11) zwischen den beiden gekrümmt verlaufenden Partien (9, _Μ 10) dieses Ausschnitts durch einen Radius (R) definiert ist, der sich cas der u Ji den Tellerradius (R) einschließlich des für das Tellerspiel erforderlichen Spaltes ß/veränderten Gitterteilung (7?ergibt; _J5

c) das drehzapfenseitige Ende jedes Schaufeldrehtellers (4) ist als Kegel ausgebildet, dessen öffnungswinkel 180° -360°Iz beträgt, worin ζ die Anzahl der Leitschaufeln pro Schaufelgitter ist, so daß sich eine gemeinsame Mantellinie (M) _4Q für zwei benachbarte Ansenkungen (13,14) der Schaufeldrehteller im Verdichteraußengehäuse (3) ergibt.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verstellgitter für hochbelastete Verdichter, insbesondere von Gasturbinentriebwerken, bei dem die Leitschaufeln mindestens einer Axialverdichterstufe mittels Drehzapfen im Verdichteraußengehäuse schwenkbar gelagert sind und das jeweilige Schaufelblatt dieser Leitschaufeln zumindest teilweise auf einem mit dem Drehzapfen verbundenen Schaufeldrehteller aufsitzt, wobei der Durchmesser der Scl/aufeldrehteller größer als die Gitterteilung der Leitschaufeln ausgeführt ist, und hierbei im gegenseitigen Überlappungsbereich liegende Teile der Schaufeldrehteller ausgeschnitten sind.

Die Erfindung geht hierbei von einer aus der DE-OS 76 987 bekannten — vornehmlich allerdings zur Verwendung für Turbinen von Gasturbinentriebwerken bestimmten — Verstelleitgitter aus, bei dem die Leitschaufeln sowohl fuß- als auch kopfseitig auf drehtellerartigen Platten aufsitzend, mittels Drehzapfen in äußeren und inneren Turbinengehäusepartien schwenkbar gelagert sind.

Im vorliegenden bekannten Fall sind die fuß- und kopfseitig angeordneten Drehtellerartigen Platten der Leitschaufeln jeweils sowohl am der Schaufelsaugseite als auch am der Schaufeldruckseite benachbarten Drehtellerteil, also jeweils im Oberlappungsbereich zwischen zwei benachbarten Drehtellern, geradlinig abgeschnitten ausgeführt, und zwar unter Belastung verhältnismäßig geringer Spalte zwischen den geradlinig sowie im wesentlichen stets parallel zueinander angeordneten Tellerenden.

Hierdurch ergibt sich lediglich ein äußerst geringer veränderbarer Verstellwinkel für die Leitschaufeln, wodurch die bekannte Lösung äußerstenfalls noch zur Turbinenregelung mit verlangten Schaufelverstellwinkdn von ca. 5 bis 8° zum Einsatz gebracht werden könnte; im Hinblick auf einen für eine befriedigende Verdichterregelung üblichen Verstellwinkelbereich bis etwa 45° ist die vorliegende bekannte Lösung somit für den Einsatz bei Verdichtern nicht geeignet.

Ein weiterer Nachteil der vorstehend erörterten bekannten Lösung wird darin gesehen, daß sich die jeweiligen, den maximalen Schaufelverstellwinkel definierenden Spaltbreiten zwischen den abgeschnittenen Tellerenden ebenfalls mit dem veränderten Schaufelanstellwinkel ändern; die hierdurch entstehenden Rückwirkungen auf die Gitterströmung mögen zwar in der beschleunigten Strömung einer Turbine noch als gering zu veranschlagen sein,- in der verzögerten Strömung eines Verdichters können diese Rückwirkungen äußerst schädliche Einflüsse auf die Leistung und das Betriebsverhalten der betreffenden Strömungsmaschine haben.

Wie allgemein weiter bekannt, ist die Anzahl an Schaufeln in einem Schaufelgitter sehr stark von der aerodynamischen Belastung abhängig. Mit steigender Gitterbelastung wird die Gitterteilung enger. Entsprechend verringert sich der ausführbare Drehtellerdurchmesser. Dies hat wiederum zur Folge, daß die gehäuseseitige Spaltlänge zunimmt, die Strömungsverluste anwachsen und gleichzeitig die Basis, auf der das Schaufelblatt aufsitzt, verringert wird. Der letztgenannte Effekt ist von nicht zu unterschätzendem Einfluß auf das Schwingungsverhalten und die damit zusammenhängende Zuverlässigkeit der betreffenden Bauteile im Betrieb.

Insbesondere hinsichtlich dieses zuletzt genannten Effekts dürfte es sich im Falle der vorstehend erörterten bekannten Lösung als zusätzlicher Nachteil auswirken, daß die fußseitigen Drehtellerartigen Platten im Bereich der äußeren Schaufellagerung eine verhältnismäßig geringe, zur Aufnahme von Spannungen und Kräften geeignete Basis aufweisen, und zwar als Folge der jeweils beidseitigen Abgeschnittenheit der drehtellerartigen Fußplatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgebrachten Nachteile zu beseitigen und ein Verstelleitgitter für hochbelastete Verdichter zu schaffen, welches bei verhältnismäßig enger Schaufelteilung und verhältnismäßig groß dimensionierten Schaufeldrehtellern einen großen Schaufelverstellbereich mit möglichst geringen aerodynamischen Verlusten im tellerartigen Bereich erzielen lassen soll.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Erfindungsmerkmalf gelöst.

Die im Rahmen des Erfindungsgegenstandes vorgesehene Geometrie garantiert, daß die Summe der Flächen der aus dem Zusammenwirken zweier benachbarter Verstelleitschaufeln mit dem Verdichtergehäuse entstehenden Zwickel, die zunächst potentielle Störungsstellen im Strömungskanal darstellen, kleinstmöglich wird wobei ferner bei jedem gewählten Schaufelverstellwin-

kef der zwischen zwei benachbarten Schaufeldrehtellern liegende Spalt auch über die gesamte radiale Drehtellerhöhe konstant gehalten werden kann.

Mit der Festlegung der in weiten Bereichen frei wählbaren Zuordnung Schaufelblatt-Schaufelteller können sowohl die schwingungsmechanischen als auch die aerodynamischen Eigenschaften des Gitters günstig beeinflußt werden. Insbesondere kann je nach Lage der Zwickel zum Schaufelblatt durch Sekundärströmungen eine Beeinflussung der Grenzschicht und des Betriebs-Verhaltens des Verdichters erzielt werden.

Die kegelige Ausbildung des drehzapfenseitigen Endes jedes Schaufeldrehtellers mit der gemeinsamen Mantellinie für zwei benachbarte Ansenkungen im Verdichtergehäuse ist der Lösung der in diesem Bereich anstehenden Dichtungsprobleme förderlich.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigt:

F i g. 1 die Anordnung und Ausbildung eines Schaufelpaares des Vcrstcllcitgitters in Voüaststcllung,

F i g. 2 die Anordnung und Ausbildung des Schaufelpaares nach Fig. 1, hier jedoch in einer Stellung bei niedriger Teillast und

Fig.3 die Vorderansicht des Schaufelpaars unter Zuordnung eines abgebrochen dargestellten Verdichteraußengehäuseabschnitts nebst eines Innenwandabschnitts des Verdichterströmungskanals.

Die F i g. 1 bis 3 veranschaulichen zwei benachbarte verstellbare Leitschaufeln 1 eines Verstelleitgitters eines Axialverdichters. Mittels Drehzapfen 2 sind die Leitschaufeln 1 im Verdichteraußengehäuse 3 (F i g. 3) verschwenkbar gelagert, wobei das jeweilige Schaufelblatt mit einem verhältnismäßig großen Prokfillängenbereich (Fig. 1 und 2) auf einem mit dem jeweiligen Drehzapfen 2 verbundenen Schaufeldrehteller 4 aufsitzt.

Wie besonders aus F i g. 1 entnehmbar ist, soll bei diesem Verstellgitter der Durchmesser D jedes Schaufeldrehtcilers 4 größer als die zugrundegelegte Gitterteilung 7"ausgeführt sein.

Im gegenseitigen Überlappungsbereich we'st jeder Schaufeldrehteller 4 an dem der Schaufelsaugseite benachbarten Drehtellerteil 5 einen aus drei ineinander übergehenden Kreisbögen 6,7,8 gebildeten Ausschnitt auf.

Dieser Ausschnitt besteht aus zwei hintereinander liegenden, zur Schaufelsaugseite hin gekrümmt verkaufenden Partien 9, 10, deren jeweilige Krümmung durch den Tellerradius R definiert ist.

Ein gegen den benachbarten Tellerrand gerichteter, gekrümmt verlaufender Übergangsabschnitt 11 zwischen den gekrümmt verlaufenden Partien 9, IO ist durch einen Radius R' definiert, der sich aus der um den Tellerradius R einschließlich des für das Tellerspiel erforderlichen Spaltes S verminderten Gitterteilung T ergibt

Gemäß F i g, 3 soll ferner das drehzapfenseitige Ende jedes Schaufeldrehtellers 4 als Kegel ausgebildet sein, dessen öffnungswinkel = 180° - 360° Iz beträgt, worin ζ die Anzahl der Leitschaufeln pro Gitter ist Die jeweiligen Drehachsen der Leitschaufeln 1 sind in F i g. 3 mit 12 bezeichnet.

Aufgrund dieser Anordnung soll sich immer eine gemeinsame Mantellinie M für zwei benachbarte Ansenkungen 13, 14 der Schaufeldrehteller 4 im Verdichteraußengehäuse 3 ergeben, wie dies auch anhand der in F i g. 3 parallel zu den beiden Ansenkungen 13,14 verlaufenden Geraden G verdeutlicht werden soll

Durch die Form des in F i g. 1 und 2 <νί jdergegebenen TcHerausschnitts ist es trotz verhältnismäßig enger Schaufelteilung Tbei gleichzeitig verwendeten verhältnismäßig großen Tellerdurchmessern D möglich, die Leitschaufeln 1 unbehindert in extrem verschiedene Endstellungen, z. B. in die Vollaststellung nach F i g. 1 oder in die Stellung für niedrige Teillast nach F i g. 2, zu verschwenken bei gleichzeitiger Minimierung und Konstanthaltung des Spaltes S zwischen dem Übergangsabschnitt 11 und einer angrenzenden abgerundeten Stirnfläche eines Drehtellers 4 mit dem Radius R, und zv/ar über den gesamten Schaufelverstellbereich.

Wie besonders aus Fig.3 ersichtlich, kann der zwischen zwei Schaufeldrehtellern 4 liegende Spalt 5 auch Ober die gesamte radiale Drehtellerhöhe iq allen Schaufelstellungen konstant gehalten werden, was wiederum einer gewünschten Minimierung dieses Spaltes Sweitestgehend entgegenkommt.

D'ie eingangs erwähnten sogenannten »Zwickel« umfassen diejenigen Abschnitte, die im wesentlichen zwischen den gekrümmt verlaufenden Partien 9,10 des Abschnitts am Drehtellerteil 5 und einer angrenzenden unverkürzten, kreisförmigen Stirnfläche eines benachbarten Drehtellers 4 liegen.

Durch den unstetigen Verlauf der Kanalwand werden im Bereich dieser Zwickel kleine Wirbel angefacht, und zwar in ähnlicher Form wie dies mittels auf Flugzeugtragflächen aufgesetzter Turbulenzgeneratoren geschieht Durch diese kleinen Wirbel kann der Grenzschicht gezielt Energie zugeführt werden, um eine vorzeitige Auflösung der Wandgrenzschicht zu verhindern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verstelleitgitter für hochbelastete Verdichter, insbesondere von Gasturbinentriebwerken, bei dem die Leitschaufeln mindestens einer Axialverdichterstufe mittels Drehzapfen im Verdichteraußengehäuse schwenkbar gelagert sind und das jeweilige Schaufelblatt dieser Leitschaufeln zumindest teilweise auf einem mit dem Drehzapfen verbundenen Schaufeldrehteller aufsitzt, wobei der Durchmesser der Schaufeldrehteller größer als die Gitterteilung der Leitschaufeln ausgeführt ist, und hierbei im gegenseitigen Oberlappungsbereich liegende Teile der Schaufeldrehteller ausgeschnitten sind, ge- '5 kennzeichnet durch folgende Merkmale: