DE2924336A1

DE2924336A1 - Verdichtungsstufe fuer eine axialstroemungsmaschine

Info

Publication number: DE2924336A1
Application number: DE19792924336
Authority: DE
Inventors: Jun Frank Roberts
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: JPS5510090A; FR2432105B1; GB2023733B; FR2432105A1; JPS6244120B2; GB2023733A; US4239452A

Description

Verdichtungsstufe für eine Axialströmungsmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Axialströmungsmaschinen und betrifft insbesondere Spitzenummantelungen für Verdichtungsstufen von Gasturbinentriebwerken.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fan- oder Gebläsestufe eines Turbofan(Zweikreis-TL-)-Gasturbinentriebwerks beschrieben. Die hier beschriebene Erfindung ist zwar auch bei anderen Verdichtüngsstufen anwendbar, die meisten bekannten Untersuchungen und Entwicklungen auf diesem Gebiet befassen sich jedoch mit Fan- oder Gebläsestufen. In solchen Gebläsestufen erstrecken sich mehrere Rotorschaufeln von einer Rotorwelle über einen Strömungsweg für die Arbeitsmediumgase radial nach außen. Ein Triebwerksgehäuse umschließt die

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Gebläseschaufeln. Eine Ummantelung, die in dem Triebswerksgehäuse sitzt, umschließt die Spitzen der Schaufeln.

Der aerodynamische Wirkungsgrad der Gebläsestufe wird durch den Spalt zwischen den Spitzen der Schaufeln und dem entsprechenden Dichtungssteg beträchtlich beeinflußt. Wenn der Spalt vergrößert wird, lecken beträchtliche Mengen der Arbeitsmediumgase am Umfang über die Spitzen der Schaufeln von den Druckseiten zu den Saugseiten der mit Flügelprofil versehenen Schaufeln. Außerdem lecken Mengen von Mediumgasen axial über die Spitzen von dem stromabwärtigen Ende zu dem stromaufwärtigen Ende dieser Schaufeln.

Die bekannte Lösung zum Kontrollieren des Leckens besteht darin, die Spaltabmessung zwischen den Spitzen und der entsprechenden Ummantelung in dem Bemessungsbetriebszustand zu minimieren. Das ist jedoch keine einfache Aufgabe, da sich während des Triebwerksbetriebes der relative radiale Abstand zwischen den Spitzen der Schaufeln und den entsprechenden Ummantelungen beträchtlich ändert. Wenn beispielsweise der Rotor auf Drehzahl gebracht wird, bewirken Zentrifugalkräfte, daß die Spitzen der Rotorschaufeln radial nach außen zu der entsprechenden Ummantelung hin bewegt werden. Nebenher verursacht eine Verbiegung des Rotors und des Triebwerksgehäuses relative Verlagerungen zwischen den Schaufelspitzen und der entsprechenden Ummantelung. Ein ausreichender Anfangsspalt zwischen den Spitzen und der Ummantelung muß vorgesehen sein, um eine zerstörerische gegenseitige Berührung während dieser Anfangsperiode zu verhindern .

Bei dem Bemühen, übermäßig große Anfangsspalte zuvermeiden, werden bei vielen modernen Triebwerken abschleifbare Ummantelungen benutzt, bei denen den Schaufelspitzen gestattet wird, sich während vorübergehender Auswanderungen in die Ummantelungen einzuschleifen. Die US-PSen 3 519 282, 3 817 und 3 918 925 beschreiberuBeispiele für solche Ummantelungen

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und ihre Herstellungsmethoden. Demgemäß wird durch solche Ausführungsformen der Spalt über den Schaufelspitzen zu dem Minimalspalt, der Rotorauswanderungen aufnimmt.

Zusätzlich zur Vermeidung von großen Anfangsspalten werden bei vielen modernen Triebwerken poröseUmmantelungen benutzt, wie sie beispielsweise in den US-PSen 3 580 692 und 3 843 beschrieben sind. Diese Konstruktionen werden benutzt, um die Triebwerksleistungsfähigkeit durch Verringerung der Tiefe der' Stromungsgrenzschicht an den Saugseitenflächen der Schaufeln zu verbessern.

Weitere Verfahren zum Verringern des Leckens an den Schaufelspitzen sind bereits untersucht worden. Ein solches Verfahren, das für die vorliegende Erfindung relevant ist, findet sich in dem NASA Technical Memorandum X-472 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" von Kofskey. Insbesondere das "vertiefte Gehäuse", das in dem Memorandum beschrieben und in Fig. 3 (b) dargestellt ist, ist von Interesse. Nach den Angaben von Kofskey ist ein besserer Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen, glattwandigen Ummantelungen erzielbar, wenn die Spitzen von Turbinenschaufeln in eine Vertiefung in der entsprechenden Ummantelung eingetaucht werden. Ein Vergleich von Wirkungsgraden bei glattwandigen und vertieften Gehäusen ist in Fig. 8 des Aufsatzes von Kofskey gezeigt. Außerdem zeigt der Aufsatz von Kofskey in Fig. 6 einen Vergleich zwischen einem vertieften Gehäuse, in welchem die Schaufelspitzen eingetaucht sind, und einem vertieften Gehäuse, in welchem die Schaufelspitzen in einer Linie mit der Strömungswegwand laufen. Die Tests zeigen, daß die Konstruktion mit eingetauchten Schaufelspjtzender Konstruktion, bei der die Schaufelspitzen in einer Linie mit der Strömungswegwand laufen, im Wirkungsgrad merklich überlegen ist,und zwar um mehrere Prozentpunkte.

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Trotz des fortgeschrittenen Zustandes der Ummantelungstechnik werden von den Herstellern von Strömungsmaschinen noch beträchtliche Anstrengungen auf die Verbesserung der Wirkungsgrade und der Betriebskenndaten der Maschinen gerichtet.

Ein Hauptziel der Erfindung ist es, eine wirksame ümmantelungsstruktur zum Umschließen der Spitzen der Schaufeln in einer Verdichtungsstufe einer Axialströmungsmaschine zu schaffen. Ein hoher aerodynamischer Wirkungsgrad der Verdichtungsstufe bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines ausreichenden Spielraums bis zum Pumpen (surge margin) wird angestrebt.

Gemäß der Erfindung sind die Schaufeln einer Verdichtungsstufe einer Axialströmungsmaschine so ausgebildet, daß sie in einer Linie mit der äußeren Wand des Arbeitsmediumströ- ' mungsweges über einer Vertiefung in der äußeren Wand laufen, die die Spitzen der Schaufeln umgibt und mehrere Oberflächenunterbrechungen an ihrem Grund hat.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, daß die Spitzen der Schaufeln in dem Bemessungszustand in einer Linie mit der äußeren Wand der Strömungswegwand angeordnet sind. Ein weiteres Merkmal ist die Vertiefung in der äußeren Wand über den Blattspitzen. In einer Ausführungsform erstrecken sich mehrere parallele Nuten am Grund der Vertiefung umfangsmäßig um das Gehäuse. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere axial verlaufende, abgeschrägte Nuten in umfangsmäßigen Abständen am Grund der Vertiefung angeordnet. In noch einer weiteren Ausführungsform sind axial abgeschrägte Nuten in dem vorderen Teil der Vertiefung mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten in dem hinteren Teil der Vertiefung kombiniert.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist ein hoher aerodynamischer Wirkungsgrad, der dadurch ermöglicht wird, daß den Schaufeln gestattet wird, sich in dem Bemessungsbetriebszustand

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über die volle Höhe des Arbeitsmediumströmungsweges zu erstrecken. Eine körperliche gegenseitige Berührung zwischen den Spitzen der Schaufeln und den sie umgebenden Dichtungsstegen wird durch das Vorhandensein einer Vertiefung in der äußeren Wand des Strömungsweges über den Spitzen vermieden. Luftwiderstandsverluste werden dadurch vermieden, daß die Spitzen der Schaufeln im Marschflugzustand in einer Linie mit der äußeren Wand laufen, statt in die Vertiefung eingetaucht zu sein. Axial abgeschrägte Nuten und sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten am Grund der Vertiefung verbessern den Pumpspielraum.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines. Tur

bofan-Gasturbinentriebwerks, die einen die Spitzen der Gebläseschaufeln umgebenden Dichtungssteg zeigt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils

eines Dichtungssteges nach der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teils

eines weiteren Dichtungssteges nach der Erfindung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Teils

noch eines weiteren Dichtungssteges nach der Erfindung,

Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung der Beziehung

zwischen den Schaufelspitzen und dem Diqhtungssteg beim Einbau,

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Fig. 5A eine vereinfachte Darstellung der Be

ziehung zwischen den Schaufelspitzen und dem Dichtungssteg in dem Bemessungsbetriebszustand,

Fig. 5B eine vereinfachte Darstellung der Be

ziehung zwischen den Schaufelspitzen und dem Dichtungssteg während ungleicher Belastung des Gebläsegehäuses oder des Triebwerksrotors und

Fig. 6 ein Diagramm, welches einen Vergleich der

relativen Wirkungsgrade und des Pumpspielraums an einer Gebläsestufe mit den verschiedenen Ummantelungen nach der Erfindung zeigt.

Ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk eines zum Antrieb von Verkehrsflugzeugen benutzten Typs ist in Fig. 1 gezeigt. Das Triebwerk hat prinzipiell einen Kernabschnitt 10 und einen Gebläseabschnitt 12. Mehrere Gebläseschaufeln 14 in dem Gebläseabschnitt erstrecken sich von einem Rotor 16 aus radial nach außen. Jede Gebläseschaufel hat eine Spitze 18 und eine Plattform 20. Ein Gebläsegehäuse 22 umschließt die Schaufeln und bildet einen Teil der äußeren Wand 24 des Strömungsweges 26 für Arbeitsmediumgase, der zu den Gebläseschaufeln führt. Eine Ummantelung 28, die manchmal auch als äußere Luftdichtung bezeichnet wird, ist in der äußeren Wand untergebracht und umgrenzt die Spitzen der Gebläseschaufeln. Die Ummantelung besteht üblicherweise aus mehreren bogenförmigen Segmenten, die mit aneinanderliegenden Enden in dem Gehäuse 22 angeordnet sind.

Gemäß den Fig. 2 bis 4 hat jede Ummantelung eine erste nach innen weisende Fläche 30, die einen Teil der äußeren Wand des Strömungsweges bildet, und eine zweite nach innen weisende Wand 32, die von der ersten Fläche aus bis in eine Tiefe D vertieft ist. Der vertiefte Teil hat ein stromaufwärtiges Ende 34 und ein stromabwärtiges Ende 36 und weist mehrere Flächenunstetigkeiten am Grund der

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Vertiefung auf. Die Ummantelung von Fig. 2 hat beispielsweise mehrere axial ausgerichtete Nuten 38, die in bezug auf eine durch die Achse des Triebwerks gehende radiale Linie abgeschrägt sind. Die Ummantelung von Fig. 3 hat mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten 40. Die Ummantelung von Fig. 4 vereinigt axiale Nuten 38 am vorderen Ende der Ummantelungsvertiefung mit Umfangsnuten 40 am hinteren Ende der Ummantelungsvertiefung.

Gemäß Fig. 5 hat die erste nach innen weisende Fläche 30 der Ummantelung 28 einen Abstand R₁ von der Achse des Triebwerks. Die Spitze 18 jeder Schaufel hat einen Abstand R-von der Achse des Triebwerks. Die zweite nach innen weisende Fläche 32 am Grund der Vertiefung hat einen Abstand R, von der Achse des Triebwerks. Die Schaufelspannweite S ist der Abstand zwischen der Plattform und der Spitze jeder Schaufel.

Im kalten Zustand haben die Schaufelspitzen 18 und die erste nach innen weisende Fläche 30 die in Fig. 5 gezeigte gegenseitige Lage. Der kalte Spalt G zwischen den Spitzen und der Oberfläche ermöglicht den Zusammenbau der Einzelteile. Aufgrund von Zentrifugalkräften und, bei einigen Ausfuhrungsformen, aufgrund von thermisch erzeugten Kräften werden die Rotorspitzen, wenn das Triebwerk über den Leerlaufzustand hinaus bis zur Bemessungsdrehzahl beschleunigt wird, radial nach außen hin größer und kommen in eine Linie mit der ersten nach innen weisenden Fläche des Dichtungssteges. Die Anordnung in einer Linie in dem Bemessungszustand ist in Fig. 5A gezeigt. Periodisch bewirken ungleiche Belastungen des Gebläsegehäuses und/oder des Triebwerksrotors, daß die Spitzen der Schaufeln in die Vertiefung hinein auswandern, wie es in Fig. 5B gezeigt ist. Die Vertiefung gestattet diese Blattspitzenauswanderung, ohne daß es zu einer zerstörerischen gegenseitigen Berührung kommt.

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Die Anfangsabstände R₁ und R₂ sind so gewählt, daß die Blattspitzen und die nach innen weisende Fläche den gleichen Radius im Bemessungszustand erreichen. Der Anfangsabstand R-ist so gewählt, wie es die Auswanderung der Blattspitzen in die Ummantelung hinein zuläßt. Die Tiefe D der Vertiefung in einer Gebläseausführungsform für ein Turbofan-Triebwerk eines Verkehrsflugzeuges mit einer Schaufelspannweite in der Größenordnung von 762 mm beträgt ungefähr 1,78 mm. Bei einer solchen Ausführungsform beträgt während des Betriebes das Verhältnis von Spalt zu Spannweite 0,0023. Für Schaufeln mit geringerer Spannweite sind entsprechend höhere Verhältnisse von Spalt zu Spannweite möglich.

Mehrere Arten von Ummantelungen, bei denen Oberflächenunstetigkeiten benutzt werden, sind bereits zur Anwendung gelangt. Typische Arten finden sich in dem in der Einleitung angegebenen Stand der Technik. Die dort angegebenen Maßnahmen sind zwar geeignet, den Pumpspielraum über einer Stufe zu vergrößern, sie führen jedoch im allgemeinen zu einer Verschlechterung des aerodynamischen Wirkungsgrades. Vergleiche des relativen Wirkungsgrades und des relativen Pumpspielraums für vertiefte und nichtvertiefte Ummantelungen sind in dem Diagramm von Fig. 6 gezeigt. Es sind Pumpspielraum- und Wirkungsgraddaten für die Gebläsestufe des von der Fa. Pratt & Whitney Aircraft hergestellten Turbofan-Triebwerks JT9D-7Q angegeben.

Die Linie A gibt Daten für eine Ummantelung mit einer glatten Wand an;

die Linie B gibt Daten für eine Ummantelung an, die nur axial abgeschrägte Nuten hat;

die Linie C gibt Daten für eine Ummantelung an, die nur sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten hat;

die Linie D gibt Daten für eine Ummantelung an, die axial abgeschrägte Nuten kombiniert mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten hat; und 909882/0720

die Linie E gibt Daten für eine Ummantelung nach der Erfindung an, die die Vertiefung mit axial abgeschrägten Nuten und mit sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten an ihrem Grund hat (Fig. 4).

Fig. 6 zeigt, daß durch Hinzufügen von Oberflächenunstetigkeiten zu einer ansonsten glatten Wand der Pumpspielraum auf Kosten des Stufenwirkungsgrades verbessert wird. Die Kombination aus einer vertieften Wand und Oberflächenunstetigkeiten ermöglicht jedoch eine Rückkehr zu Wirkungsgraden, die sich den Wirkungsgraden von glattwandigen Ummantelungen nähern. Nebenher ergibt die Kombination einen weiter verbesserten Pumpspielraum.

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Claims

Patentansprüche :

) Verdichtungsstufe für eine Axialströmunasmaschine, gekennzeichnet durch:

ein Gehäuse (22) , das einen Teil der äußeren Wand des Strömungsweges für Arbeitsmediumgase der Gebläsestufe (12) bildet;

eine Ummantelung (28), die in dem Gebläsegehäuse sitzt und eine erste nach innen weisende Fläche (30) sowie eine zweite nach innen weisende Fläche (32) hat, die von der ersten Flä-, ehe aus vertieft ist, wobei in der zweiten Fläche mehrere Flächenunstetigkeiten (38; 40) gebildet sind; und

mehrere Verdichtungsschaufeln (14), die jeweils eine Spitze (18) haben, die sich in dem Bemessungsbetriebszustand der ' Verdichtungsstufe in einer Linie mit der ersten nach innen

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_mm *s _mat

weisenden Fläche (30) erstreckt (Fig. 5A).
2. Verdichtungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um die Gebläsestufe (¹²) eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks handelt.
3. Verdichtungsstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) jeweils eine Plattform (20) an ihrem unteren Ende haben, daß jede Schaufel eine Spannweite S hat, die als der Abstand von der Plattform zur Spitze (18) der Schaufel definiert ist, und daß die zweite Fläche (32) der Ummantelung (28) von der ersten Fläche (30) der Ummantelung aus um eine Strecke D vertieft ist, die ungefähr 0,2% der Spannweite beträgt.
4. Verdichtungsstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannweite der Schaufeln (14) ungefähr 762 mm beträgt.
5. Verdichtungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachenunstetigkeiten in der zweiten Fläche mehrere sich axial erstreckende Nuten (38) am Grund der Vertiefung umfassen.
6. Verdichtungsstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sich axial erstreckenden Nuten (38) jeweils in Richtung der Maschinendrehung gegen eine von der Drehachse der Maschine aus gezogene radiale Linie abgeschrägt sind.
7. Verdichtungsstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachenunstetigkeiten in der zweiten Fläche (32) mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten (40) am Grund der Vertiefung umfassen.
8. Verdichtungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachenunstetigkeiten in der zweiten Fläche (32) mehrere sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten (40) am

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Grund der Vertiefung umfassen.
9. Verdichtungstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die FXächenunstetigkeiten in der zweiten Fläche (32) mehrere sich axial erstreckende Nuten (38) am Grund der Vertiefung umfassen.
10. Verdichtungsstufe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die sich axial erstreckenden Nuten (38) jeweils in Richtung der Maschinendrehung gegen eine von der Drehachse der Maschine aus gezogene radiale Linie abgeschrägt sind.
11. Verdichtungsstufe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenunstetigkeiten in der zweiten Fläche (32) mehrere sich in ümfangsrichtung erstreckende Nuten (40) am Grund der Vertiefung umfassen.
12. Verdichtungsstufe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) jeweils eine Plattform (20) an ihrem unteren Ende haben, daß jede Schaufel eine Spannweite S hat, die als der Abstand von der.Plattform zur Spitze (18) der Schaufel definiert ist, und daß die zweite Fläche (32) der Ummantelung (28) von der ersten Fläche (30) der Ummantelung aus um eine Strecke D vertieft ist, die ungefähr 0,2% der Spannweite beträgt.
13. Verdichtungsstufe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannweite der Schaufeln (14) ungefähr 762 mm beträgt.
14. Verdichtungsstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenunstetigkeiten in der zweiten Fläche (32) mehrere sich in Ümfangsrichtung erstreckende Nuten (40) am Grund der Vertiefung umfassen.
15. Verdichtungsstufe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (14) jeweils eine Plattform (20) an

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ihrem unteren Ende haben, daß jede Schaufel eine Spannweite S hat, die als der Abstand von der Plattform zur Spitze (18) der Schaufel definiert ist, und daß die zweite Fläche (32) der Ummantelung von der ersten Fläche (30) der Ummantelung aus um eine Strecke D vertieft ist, die ungefähr 0,2% der Spannweite beträgt.
16. Verdichtungsstufe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannweite der Schaufeln (14) ungefähr 762 mm beträgt.

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