DE2924335A1

DE2924335A1 - Schaufelspitzendichtungsstruktur fuer eine axialstroemungsmaschine

Info

Publication number: DE2924335A1
Application number: DE19792924335
Authority: DE
Inventors: Juri Niiler; Brian Arthur Robideau
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1980-01-10
Also published as: GB2026609A; FR2429914A1; US4238170A; GB2026609B; JPS557998A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen und betrifft insbesondere eine Luftdichtung zwischen den Spitzen der mit Flügelprofil versehenen Schaufelnder Maschine und den umgebenden Teilen der Strömungswegwand.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Verdichterausführung derselben in einem Gasturbinentriebwerk beschrieben. In einem solchen Verdichter erstrecken sich mehrere Reihen von Laufschaufeln von einer Rotorwelle aus radial nach außen über einen Strömungsweg für die Arbeitsmediumgase. Außerdem erstrecken sich mehrere Reihen von Leitschaufeln von einem

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' ⁵; 2324335

Statorgehäuse aus radial nach innen über den Strömungsweg. Bei einigen Ausführungsformen ragen die Leitschaufeln von dem Statorgehäuse aus freitragend nach innen. Jede Reihe von Leitschaufeln ist so angeordnet, daß die Mediumgase in eine benachbarte Reihe von Laufschaufeln oder von dieser weggeleitet werden. Ein Statordichtungssteg geht von dem Statorgehäuse aus und umgibt die Spitzen der Laufschaufeln jeder Laufschaufelreihe. Bei Ausführungsformen mit freitragenden Leitschaufeln geht ein Rotordichtungssteg von dem Rotor aus und umgibt die Spitzen der Leitschaufeln jeder Leitschaufelreihe.

Der aerodynamische Wirkungsgrad des Verdichters ist weitgehend von dem Spalt zwischen den Spitzen jeder Reihe und dem entsprechenden Dichtungssteg abhängig. Wenn der Spalt vergrößert wird, lecken beträchtliche Mengen an Arbeitsmedium-_ gasen am Umfang über die Spitzen der Flügelprofilschaufeln von den Druckseiten zu den Saugseiten der Flügelprofilschaufeln. Außerdem lecken Mediumgasmengen von dem stromabwärtigen Ende zu dem stromaufwärtigen Ende der Flügelprofilschaufeln über die Spitzen.

Die bekannte Lösung zum Kontrollieren des Leckens besteht darin, die Spaltabmessung zwischen den Spitzen und dem entsprechenden Dichtungssteg bei dem Bemessungsbetriebszustand zu minimieren. Das ist jedoch keine leichte Aufgabe, da während des Betriebes der Maschine die relativen radialen Ausdehnungen zwischen den Spitzen und den entsprechenden Dichtungsstegen beträchtlich sind. Wenn beispielsweise der Rotor auf Drehzahl gebracht wird, bewirken die Wärmedehnung der Rotormaterialien und Zentrifugalkräfte, daß die Spitzen der Laufschaufeln radial nach außen zu dem entsprechenden Statordichtungssteg hin verlagert werden. Ein ausreichender Anfangsspalt zwischen den Spitzen und dem Dichtungssteg muß vorgesehen sein, damit eine zerstörerische ge-

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-S-

genseitige Berührung während dieser Anfangsperiode verhindert wird. Wenn thermisches Gleichgewicht erreicht ist, dehnt sich der Statordichtungssteg von den Laufschaufelspitzen weg radial aus und es wird ein entsprechender und unerwünschter Spalt erzeugt. Entsprechende Effekte treten bei Statorkonstruktionen mit freitragenden Leitschaufeln auf.

Bei dem Bemühen, .übermäßig große Anfangsspalte zu vermeiden, werden bei vielen modernen Triebwerken abschleifbare Dichtungsstege benutzt, in die sich die Flügelprofilschaufelspitzen während vorübergehender Auswanderungen einschleifen können. Die US-PSen 3 519 282, 3 817 719, 3 843 278 und 3 918 925 beschreiben Beispiele für solche Dichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung. Demgemäß wird bei solchen Ausführungsformen der Spalt über den Flügelprofilschaufelspitzen zu dem minimalen Spalt, der Rotorauswanderungen aufnimmt.

Andere Verfahren zum Verringern des Leckens an den Schaufelspitzen sind bereits untersucht worden. Ein derartiges Verfahren, das für die vorliegende Erfindung relevant ist, ist in dem NASA Technical Memorandum X-472 von Kofskey in dem Aufsatz "Experimental Investigation of Three Tip-Clearance Configurations Over a Range of Tip Clearance Using a Single-stage Turbine of High Hub to Tip - Radius Ratio" beschrieben. Insbesondere das "vertiefte Gehäuse", das in dem Memorandum beschrieben und in Fig. 3(b) dargestellt ist, ist von Interesse. Gemäß den Darlegungen von Kofskey ist ein besserer Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen glattwandigen Dichtungen durch Eintauchen der Spitzen von Turbinenschaufeln in eine Vertiefung in dem entsprechenden Dichtungssteg erzielbar. Ein Vergleich der Wirkungsgrade, die mit einem glattwandigen und einem vertieften Gehäuse erzielt werden, ist in Fig. 8 des Aufsatzes von Kofskey gezeigt. Außerdem ist in dem Aufsatz von Kofskey in Fig. 6 ein Vergleich zwischen einem vertieften Gehäuse, bei welchem die Blattspitzen eingetaucht sind, und einem vertieften Gehäuse, bei welchem die Blattspitzen in ei-

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ner Linie mit der Strömungswegwand laufen, gezeigt. Die Tests zeigen, daß die Konstruktion mit eingetauchten Spitzen im Wirkungsgrad merklich überlegen ist, und zwar um mehrere Prozentpunkte.

Da die Energiekosten ihren Höhenflug fortsetzen, unternehmen Hersteller von Strömungsmaschinen beträchtliche Anstrengungen, um die Maschinenwirkungsgrade zu verbessern. Auf diesem Hintergrund ist die vorliegende Erfindung entwickelt worden.

Hauptziel der Erfindung ist es, den aerodynamischen Wirkungsgrad an einer Verdichtungsstufe in einem Axialverdichter zu verbessern. Eine Verringerung des Leckens von Arbeitsmediumgasen an den Spitzen der Flügelprofilschaufeln wird dabei angestrebt, wobei insbesondere Luftwiderstandsverluste in dem Spitzenbereich zwischen den Flügelprofilschaufeln und einem sie.umgebenden Dichtungssteg vermieden werden sollen.

Gemäß der Erfindung enthält der Verdichter einer Axialströmungsmaschine mehrere Laufschaufeln, die sich im Bemessungsbetriebs zustand radial in die Nähe der äußeren Wand des Arbeitsmediumströmungsweges und dort in einer Linie mit der Wand erstrecken. Weiter nimmt gemäß der Erfindung eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut in einem Dichtungssteg, der die Schaufelspitzen umgibt, relatives thermisches Wachstum zwischen den Schaufelspitzen und der äußeren Wand unter Übergangsbedingungen auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die auf Maschinen anwendbar ist, bei denen freitragende Leitschaufeln benutzt werden, erstrecken sich die freitragenden Leitschaufeln radial einwärts bis in die Nähe der inneren Wand des Arbeitsmediumströmungsweges und dort in einer Linie mit der Wand und eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut in einem die Leitschaufelspitzen umgebenden Dichtungssteg nimmt

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relatives thermisches Wachstum zwischen den Leitschaufelspitzen und der inneren Wand unter Ubergangsbedingungen auf.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist, daß sich im Marschflugzustand die Spitzen der Flügelprofilschaufeln so nahe bei der Strömungswegwand befinden, daß sie in einer Linie mit derselben sind. Ein weiteres Merkmal ist die Nut in dem entsprechenden Dichtungssteg über den Flügelprofilschaufelspitzen.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist der verbesserte aerodynamische Wirkungsgrad, der dadurch ermöglicht wird, daß den Flügelprofilschaufeln gestattet wird, sich über die volle Höhe des Fluidströmungsweges zu erstrecken. Eine gegenseitige körperliche Berührung zwischen den Spitzen der Flügelprofilschaufeln und den sie umgebenden Dichtungsstegen wird durch das Vorsehen einer Vertiefung in dem Dichtungssteg über den Spitzen vermieden. Luftwiderstandsverluste werden dadurch vermieden, daß die Spitzen im Marschflugzustand in einer Linie mit der Strömungswegwand laufen, statt in die Nuten in den Dichtungsstegen eingetaucht zu sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Verdichterab

schnitt einer Strömungsmaschine mit Umfangsnuten in den Statorstegen und Umfangsnuten in den Rotorstegen,

Fig. 2A eine vergrößerte Ansicht des Laufschau-

felspitzengebietes des in Fig. 1 gezeigten Verdichters im kalten Zustand,

Fig. 2B eine vergrößerte Ansicht des Laufschau-

felspitzengebietes des in Fig. 1 gezeigten Verdichters im Verengungspunktzustand,

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Fig. 2C eine vergrößerte Ansicht des Laufschau-

felspitzengebietes des in Fig. 1 gezeigten Verdichters im Bemessungsbetriebszustand,

Fig. 3 ein Diagramm, das die radiale Beziehung

zwischen den Laufschaufelspitzen und der sie umgebenden äußeren Wand des Maschinenströmungsweges zeigt, und

Fig. 4 ein Diagramm, das einen Vergleich der

adiabatischen Wirkungsgrade einer dreistufigen Strömungsmaschine zeigt, die mit glattwandigen Statorstegen, genuteten Statorstegen und mit genuteten Statorstegen mit eingetauchten Laufschaufelspitzen arbeitet.

Ein Teil des Verdichtungsabschnittes 10 einer Axialströmungsmaschine mit einem Rotor 12 und einem Stator 14 ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Strömungsweg 16 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch den Verdichtungsabschnitt. Eine äußere Wand 18, die eine nach innen weisende Fläche 20 hat, und eine innere Wand 22, die eine nach außen weisende Fläche 24 hat, bilden den Strömungsweg. Mehrere Reihen oder Kränze von Laufschaufeln, die durch die einzelnen Laufschaufeln 26 dargestellt sind, erstrecken sich von dem Rotor aus nach außen über den Strömungsweg bis in die unmittelbare Nähe der äußeren Wand. Jede Laufschaufel hat eine Spitze 28 und ist so' profiliert, daß sie einen Flügelprofilquerschnitt hat. Demgemäß hat jede Laufschaufel eine Druckseite und eine Saugseite und, wie dargestellt, ein stromaufwärtiges Ende 30 und ein stromabwärtiges Ende 32. Über den Spitzen jeder Laufschaufelreihe erstreckt sich ein Statordichtungssteg 34. In jedem Steg ist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut

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36 bis zu einer Tiefe D an einer nach innen weisenden Fläche

37 gebildet.

Mehrere Reihen oder Kränze von Leitschaufeln, die durch die einzelnen Leitschaufeln 38 dargestellt sind, stehen von dem Stator aus über den Strömungsweg freitragend nach innen bis in die unmittelbare Nähe der inneren Wand vor. Jede Leitschaufel hat eine Spitze 40 und ist mit einem Flügelprofil versehen. Demgemäß hat jede Leitschaufel eine Druckseite und eine Saugseite und, wie dargestellt, ein stromaufwärtiges Ende 42 und ein stromabwärtiges Ende 44 ο Über den Spitzen jeder Leitschaufelreihe erstreckt sich ein Rotordichtungssteg 46. In jedem Steg ist eine sich in ümfangsrichtung erstreckende Nut 48 gebildet.

Gemäß Fig, 2 hat die nach außen weisende Fläche 24 der inneren Wand 22 einen Abstand R_Q von der Achse der Maschine. Die Spitze 28 jeder Laufschaufel 26 hat einen Abstand R₁ von der Achse der Maschine. Die nach innen weisende Fläche 20 der äußeren Wand 18 hat einen Abstand R₂ von der Achse der Maschine. Die untere oder nach innen weisende Fläche jeder Nut 36 hat einen Abstand R₃ von der Achse der Maschine.

Im kalten Zustand haben die Laufschaufelspitzen 26 und die nach innen weisende Fläche 20 die in Fig. 2A gezeigte gegenseitige Lage. Der kalte Spalt 50 zwischen den Spitzen und der Fläche ermöglicht den Zusammenbau der Einzelteile. Aufgrund von Zentrifugalkräften und von wärmeerzeugten Kräften beim Beschleunigen der Maschine über die Leerlaufdrehzahl bis zur Bemessungsdrehzahl wachsen die Laufschaufelspitzen radial nach außen in die Nut 36 in dem Statordichtungssteg 34 hinein. Der Punkt der größten Nähe der Laufschaufeln gegenüber dem Grund der Nut wird als "Verengungspunkt" bezeichnet. Wenn die Bemessungsdrehzahl erreicht ist, wächst die äußere Wand einschließlich des Dichtungssteges radial von den Laufschaufelspitzen weg in eine Position, in welcher der Abstand R„ zu der nach innen weisenden Fläche 20 der

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äußeren Wand und der Abstand R₁ zu den Laufschaufelspitzen gleich sind.

Die Anfangsabstände R₁ und R₂ sind so bemessen, daß die Laufschaufelspitzen und die nach innen weisende Fläche einen äquivalenten Radius im Bemessungszustand erreichen. Der Anfangsabstand R₃ ist so bemessen, daß die Auswanderung der Laufschaufelspitzen in den Dichtungssteg im Verengungspunktzustand aufgenommen wird. Das Diagramm von Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen den Radien R₁, R₂ und R₃ über Betriebszuständen der Maschine. Der Bemessungsbetriebszustand eines Flugzeuggasturbinentriebwerkes kann der Marschflugzustand sein.

Die Konstruktion eines Verdichters entsprechend den oben angegebenen Lehren gestattet, daß die Maschine in dem Laufschaufelspitzengebiet einen besseren aerodynamischen Wirkungsgrad erreicht. Zum Kontrollieren des Wirkungsgradgewinns wurde der adiabatische Wirkungsgrad an einer dreistufigen Verdichtungsvorrichtung experimentell in drei Dichtungsausbildungszüständen ermittelt, und zwar bei glatter Wand, bei Anordnung in einer Linie über einer Nut und bei in eine Nut eingetauchter Schaufelspitze. Gemäß Fig. 1 wurde das Meßinstrument an einer Stelle A angeordnet, um den Gesamtdruck P_T und die Gesamttemperatur T_ des in die Verdichtungsvorrichtung strömenden Arbeitsmediumgases zu messen, und an einer Stelle B, um den Gesamtdruck P-, und die Gesamttemperatur T des aus der Verdichtungsstufe hinausströmenden Arbeitsmediumgases zu messen. Zahlreiche Messungen wurden bei verschiedenen Anfangsspaltabmessungen zwischen den Spitzen und der entsprechenden Wand (einschließlich der Nut bei den genuteten Ausfuhrungsformen) durchgeführt. Der adiabatische Wirkungsgrad % . wurde an jedem Punkt gemäß folgender bekannter Formel berechnet:

iad =

-1

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wobei Y der Ausdruck —-—

c die spezifische Wärme von Luft bei konstantem Druck,

c die spezifische Wärme von Luft bei konstantem Volumen ,

P der Gesamtdruck am Einlaß/

¹A
P der Gesamtdruck am Auslaß,

B
Τ_φ die Gesamttemperatur am Einlaß und

A
T die Gesamttemperatur am Auslaß ist.

In Fig. 4 ist der adiabatische Wirkungsgrad für jede der drei getesteten Gruppen von Vorrichtungen über dem Spalt im Bemessungszustand zwischen den Spitzen und der gegenüberliegenden Wand (einschließlich der Nut in diesen Ausführungsformen) als Prozentsatz der Spannweite der Laufschaufeln aufgetragen. Die Spannweite S der Laufschaufeln ist gleich dem Abstand R₀-R₃. Der Spalt C im Bemessungszustand ist gleich dem Abstand R₃ - R₁ und reicht von 0,5 bis 2,5% der Spannweite für Laufschaufeln mit einer Spannweite von ungefähr 25,4 mm bei den getesteten Ausführungsformen. Demgemäß reichten die Spalte C von ungefähr 0,13 mm bis 0,64 mm.

Die spezifischen Datenpunkte, die bei der Aufstellung des Diagramms von Fig. 4 genommen worden sind, sind im folgenden angegeben:

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Maschinen	Typ	Spalt (C)	adiabatischer
ausführung	in einer Linie über der Nut	1,2% S	Wirkungsgrad *ad
A	in einer Linie über der Nut	2,3% S	92,0%
B	glatte Wand	0,6% S	90,3%
C	glatte Wand	1 ,0% S	92,0%
D	eingetauchte Spitze	1 ,9% S	91 ,2%
E		90,3%

(1% S eingetaucht)

Bei der praktischen Verwirklichung der Erfindung können die Nuten 36 am Anfang so zu dem Spalt C ausgebildet sein, daß die Laufschaufelspitzen den Dichtungssteg nicht berühren. Bei anderen Ausführungsformen wird der Dichtungssteg aus einem abschleif baren Material hergestellt, so daß sich in dem Verengungspunktzustand die Laufschaufelspitzen selbst eine Nut von geeigneter Tiefe in den Steg schleifen. Bei beiden Arten von Ausführungsformen ist es jedoch kritisch, daß sich die Laufschaufelspitzen von der entsprechenden Nut bis in eine Linie mit der nach innen weisenden Fläche der äußeren Wand zurückziehen.

Der Aufbau und die Betriebsweise einer Leitschaufelspitze/ Rotordichtungssteg-Ausführungsform der Erfindung entsprechen den oben mit Bezug auf die Laufschaufelspitze/Statordichtungssteg-Ausführungsform beschriebenen. Beide Ausführungsformen können in derselben Maschine vorgesehen werden.

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Claims

Patentansprüche:

M .J Schaufelspitzendichtungsstruktur für eine Axialströmungsmaschine, die einen um die Achse der Maschine im Bemessungszustand drehbaren Rotor und einen den Rotor umschließenden Stator hat, welche einen Verdichtungsabschnitt bilden, der von einem Arbeitsmediumgas durchströmt werden kann, wobei ein ringförmiger Strömungsweg für das Arbeitsmediumgas zwischen einer äußeren Wand an dem Stator und einer inneren Wand an dem Rotor gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flügelprofilschaufel radial in dem Strömungsweg angeordnet ist und eine Spitze hat und daß eine Strömungswegwand, die eine dem Strömungsweg zugewandte Fläche hat, eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut aufweist, die über der Spitze von der Fläche aus so vertieft ist, daß in dem Bemessungszustand die Spitze und die Fläche gleiche Abstände von der Achse der Maschine haben.
2. Schaufelspitzendichtungsstruktur für eine Axialströmungsmaschine, die einen im Bemessungszustand um eine Achse drehbaren Rotor und einen den Rotor umgebenden Stator hat, welche einen Verdichtungsabschnitt bilden, der von ei-

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nem Arbeitsmediumgas durchströmbar ist, wobei ein Strömungsweg für das Arbeitsmediumgas zwischen einer äußeren Wand an dem Stator und einer inneren Wand an dem Rotor gebildet ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Reihe von Laufschaufeln, die sich von dem Rotor aus in die Nähe der äußeren Wand erstrecken, wobei jede Laufschaufel eine Spitze hat, deren Abstand von der Achse der Maschine gleich einem Radius R₁ ist;

durch eine nach innen weisende Fläche an der äußeren Wand, deren Abstand von der Achse der Maschine gleich einem Radius R„ ist, wobei im Bemessungszustand der Maschine die Radien R₁ und R₃ gleich sind, und

durch einen Dichtungssteg an der äußeren Wand, der eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut aufweist, der die Spitzen der Laufschaufeln umgrenzt.
3. Dichtungsstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des Strömungsweges eine nach außen weisende Fläche hat, deren Abstand von der Achse der Maschine gleich einem Radius R ist, daß jede Laufschaufel eine Spannweite S hat, die gleich dem Abstand R₉ - R_n zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Strömungswegwände ist, daß die Nut eine nach innen weisende Fläche hat, deren Abstand von der Achse der Maschine gleich einem Radius R₃ ist, und daß die Tiefe D der Nut in einem Bereich von 0,5% bis 2,5% der Spannweite S der Laufschaufel liegt.
4. Dichtungsstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe D der Nut gleich der Strecke R₃ - R» im Bemessungszustand ist.
5. Dichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Flugzeuggasturbinentriebwerk ist und daß der Bemessungszustand der Maschine der Marschflugzustand ist.

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6. Dichtungsstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch wenigstens eine Reihe von Leitschaufeln, die von der äußeren Wand des Stators freitragend vorstehen und Spitzen haben, welche sich bis in die Nähe der inneren Wand an dem Rotor erstrecken, durch eine nach außen weisende Fläche an der äußeren Wand, die in derartigem Abstand von der Achse der Maschine angeordnet ist, daß im Bemessungszustand die Abstände von den Leitschaufelspitzen zur Achse und von der inneren Fläche zur Achse gleich sind, und

durch einen Dichtungssteg an der inneren Wand, der eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut hat, die die Spitzen der Leitschaufeln umgrenzt.

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