DE2935235A1

DE2935235A1 - Gasverdichter

Info

Publication number: DE2935235A1
Application number: DE19792935235
Authority: DE
Inventors: Dennis Carl Chapman; David Terrence Sayre
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Rolls Royce Corp
Priority date: 1978-10-06
Filing date: 1979-08-30
Publication date: 1980-04-17
Also published as: JPS5551990A; GB2032523B; DE2935235C2; FR2438181B1; GB2032523A; IT1164902B; IT7950277A0; FR2438181A1; US4248566A; CA1111008A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter

mit gesteuertem Durchfluss, "bestehend aus einer ortsfesten ringförmigen Hülle mit einem Einlass, einem inaslass und einer Innenwand, in der ein Belüftungsloßh vorgesehen ist, und einesi innerhalb der Hülle angeordneten Läufer mit radial nach aussen gerichteten Schaufeln, die Jede eine Eintrittskante, eine Austrittskante und einen dient neben der Innenwand der Hülle liegenden Schaufelkopf hat*

Derartige G-asverdichter mit nachgeschaltetem Diffusor werden zur Bereitstellung der Brennluft bei Gasturbinen· triebwerken für Luftfahrzeuge eingesetzt· Es ergeben sich hierbei Betriebsbedingungen, bsi denen sine plötzliche Verzögerung von vollerjkeistung erfolgt, auf die unmittelbar eine plötzliche Beschleunigung von nahezu Leerlaizfdrehsahl auf volle Leistung eintritt» In diesem Zusammenhang auf·» tretende Druckspitzen werden bisher dadurch abgebaut f«*- *«*>, indem ein wesentliche!" Seil des Verdichteratr©ms über ein Entlüftungsventil aus dem Ströiaungsweg abgeleitet wird, um zum Auslass des Verdichters zu gelangen.. Me hieran nötigen Ventile können aber bei normalen Betriebsbedingungen öffnen, und bedingen darm einen beachtlichen £®istungsverlust des Triebwerke»

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen G-asverdichter der eingangs erwähnten Art so weiter auszubilden, dass bei kleinen Drehzahlen eine einwandfreie Strömung und bei hohen Drehzahlen ein. hohes Sehluckvermö—

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gen zuverlässig aufrechterhalten werden, so dass also unter allen Betriebsbedingungen eine optimale Arbeitsweise erziel bar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale gelöste

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemässe Lösung wird mit der vorgesehenen einzigen Belüftungseinrichtung beide Teilaufgaben gelöst und hierbei in vorteilhafter Weise eine besond re Steuerung durch Ventile vermieden. Es wird hierdurch die Zuverlässigkeit wesentlich erhöht.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein Teillängsschnitt durch einen Verdichter

nach der E_rfindung,

Pig, 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserem Maßstäbe,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in noch grösserem

Maßstabe,
•^ig. 4 eine Stirnansicht der Hülle des Verdichters

von der Einlassseite her,
Fig. 5 ein Schaubild, das die Arbeitsweise eines

erfindungsgemässem ^verdichters im Vergleich mit bisherigen Verdichtern aufzeigt und Fig. 6 ein S_ehaubild, in dem der statische Druck

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über der korrigierten Drehzahl des Läufers des Verdichters aufgetragen ist.

Der Verdichter 10 des Beispiels hat eine vordere Halterung 12 und eine hintere Halterung 14 zur Aufnahme der umlauf enden ^'eile des Verdichters· Die vordere Halterung 12 hat mehrere mit Abstand in U₃Jf angerichtung angeordnete axiale Streben 16, die Im wesentlichen radial au einem Einlass 18 liegen, der zwischen der vorderen Halterung 12 und einer Hülle 22 gebildet ist und zu einem Läufer 20 der ¥er« dichtere führt, welcher zwischen den beiden halterungen angeordnet ist«, Die Hülle 22 hat am stromabwärtigen Ende eine abgesetzte S_chulter 24, die mit einem Plansch 26 einer äusseren Hülle 28 zusammenarbeitet, die den Läufer 20 umgibt«. Die Hülle 22 hat eine glatte Innenfläche 30, die ei« nen axial gerichteten Einlasskanal 32 begrenzt, wodurch plötzliche Änderungen des Stroms stromauf einer glatten Innenfläche 34 der Hülle 28 vermieden sind. Ebenso weist die vordere Halterung 12 eine Habe 36 auf, die sich nach vo erweiternd eine glatte fläche 38 aufweist, und ebenfals plötsliche Änderungen der Strämungsrichtung im Einlasskanal 32 verhindert Die Eläehe 38 geht in eine glatte Fläche 40 filier, die an der Habe 42 des Läufers 20 gebildet ist, Ss ergibt sieh somit eine weitgehend glelchaässige Stromver«»

M/ teilung vom Einlasskanal 42 zum Sinlass/des "Verdichters.

Ie Einlass 44 des Verdichters sind mehrere Schaufeln

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46 gebildet, die sich über die ganze länge des fm läufer 20 gebildeten Kanäle erstrecken und zwischen eich Kanäle begrenzen.An der Nabe 42 sind ferner auch kurze Schaufeln 48 gebildet, die sich im stromabwärtigen Teil des Kanals im Läufer befinden. Die Schaufeln 46 weisen eine Eintrittskante 50 auf und haben einen der Innenwandung der Hülle 28 angepassten Schaufelkopf 52, der mit einem abrtibbaren Belag 54 aus einer Aluminiumlegierung zusammenarbeitet, mit dem die Innenwand der Hülle 28 bekleidet ist, um durch Ein— schaben ein kleinstmögliches Spiel «wischen Läufer und Hülle zu erhalten. Die Schaufeln 46 sind tangential zurückgebogen aus der radialen Richtung und enden mit einer Aus tritt skante 56 am äusseren Radius des Läufers 20.

Die Schaufeln 48 haben ebenfalls eine Eintrittskante 58 und eine dem Belag 54 der Hülle 28 angepassten Schaufelkopf 60. Auch diese Schaufeln sind tangential aus der radialen Richtung abgebogen und enden ebenfalls am äusseren Radius des Läufers.

Der Läufer 20 ist drehbar in einem hinteren Lager und einem vorderen Lager 66 abgestützt. Das hintere Lager 64 sitzt hierbei auf einem Ansatz 68 der Nabe 42, der in einer Bohrung eine Keilverzahnung aufweist, in die eine Keilverzahnung 74 eines Anschlusstücks 72 eingreift. Das Ende 76 des Anschlußstücks ist durch Verbindungsmittel 78 (Scheibe und S_ehraube) mit der N_abe 42 verbunden. Mit dem Anschlußstück 72 ist eine nicht dargestellte Antriebswelle

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zum Antrieb des "erdichters verbunden. Das hintere Lager 64 enthält Äugeln SO und ist in eine® Lagerstiilil 82 de» hinteren Halterung abgestützte Die hintere Halterung 14 weist zwei in axialem Abstand voneinander liegende abreib··» bare Plächen 84 und 86^"'die mir Labyrinthdichtungen 88 und ^; 9Oikn der labe 42 zusammenarbeiten, lim Niederdruckräume des Verdichters von dem Strömungsweg im Läufer su trennen,,

Eine Pläche 92 der hinteren Halterung 14 bildet die rückseitige Begrenzung, die der hinteren Wand 94 der labe 42 gegenüberliegt und in einem flansch 96 endet, an dem die Rückwand 98 eines dem Läufer nachgesehalteten Blffusors

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100 befestigt ist, Am radial äuaaeren Sand der Hülle /ist ein Plansoll 104 gebildet, der eine Vorderwand 102 des Diffusore trägt, wozu mehrere S_chrauben 106 sorgsn_s die aussenden eine Auslasskammer 106 des Diffusors tragen, Der DiffTiacÄa? 100 hat eine Eintrittekante 112, die Tom äiisseren Umfang des Läufers 20 Abstand hat, ao dass ein Zwischenraum 114 gebildet ist, in denen ein Ausgleich erfolgt, um die Ströme durch den Läufer und den Diffuser zu koordinieren. Da dieser bereich für Diffusoren dieser Art besonders kritisch ist, muss eine entsprechende Abstimmung vorgenommen werden, die Druckänderungen im Läufer des Verdichters, axe Druckerhöhung im Diffusor, Druckverluste u.dgl. berücksichtigen« Hierzu ist die Auslage der Zahl der Diffusorkanäle, deren Querschnittsverhältnis und ^änge, sowie die Geometrie des Einlasses zum Diffusor entsprechend

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zu wählen.

In Pig· 5 iet das Verdichterverhältnis als Punrcion der Strömungsmenge durch den Verdichter mit linien gleicher Drehzahl veranschaulicht. Die die linken Enden der Drehzahllinien verbindender^- linie stellt die Grenze dar, in der eine aerodynamisch stabile Arbeitsweise des Verdichters und des Diffusors gegeben ist. Das obere Ende der Linie 116 entspricht dem Stillstand im Diffusor eines Verdichters für ein Gasturbinentriebwerk entsprechend Mg. 1. Das untere Ende der Linie 116 entspricht einem Stillstand im Diffusor und am Einlass des Läufers 20. Die niedrige Drehzahl, bei der an den Eintrittekanten 50 ein Stillstand eintritt wird häufig durch eine Einbuchtung 115 der Linie 116 gekennzeichnet. Bei hohen Drehzahlen kann eine solche Einbuchtung eintreten, wenn ein ausreichend hoher Durch«-, strom und eine ausreichend hohe Drehzahl u des Verdichters vorliegt, und schlisst eine wirksame Korrektion der Leistun, durch Abblasen über ein Belüftungsventil aus. Ist ein Abblasen aus dem Verdichter ein nicht annehmberer Kompromiss, so kann der Stillstand im Diffusor durch in seinem bereich vorgesehene Belüftungslöcher in der ihn timgebenden Hülle beseitigt werden.

In Pig. 6 ist der an mehreren unterschiedlichen meridionalen Abstand längs der Innenwand 34 der Hülle 28 aufweisenden Stellen gemessene statische Druck aufgetragen, die auf Normaleinlassbedingungen korrigiert als Punktion

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der Verdichterdrehzahl längs einer Triebwerksbetriebslinie dargestellt sind«

Da die Messwerte auf STarmal>bedingungen korrigiert sind, stellt eine horizontale linie 118 den Aussendruck dar« Der Läufer 20 und der Diffusor 100 sind so ausgelegt, dass sich ein bestimmtes Profil des statischen Drucks vom 0^- Punlrfc 121 ( Eintrittskante des läufers) Ms zum 10OjS-Punkt

meridic

124 8M äusseren Rand 56 des Läufers ergibt mit einem Brifcfejfesx

ijaman Bereich 119« Kleine meridionale Abstände haben Orte, die dem Punkt 121 nahe liegenj mittlere meridionale Abstände haben Vierte von 10 bis 15$ und grosse meridionale Abstände weisen Werte τοη 30 und mehr % auf· Bei 30 und mehr tf> ist bei allen Läuferdrehzahlen der statische Druck stets grös-> ser als der Aussendruck (linie 118). Hin in diesem Bereich angeordnetes Belüftungsloeh würde also stets einen Abstrom τοη Gas durch die Hülle 28 bei allen Drehzahlen seitigen« Hierdurch würde der Stillstand im Verdichter bei kleinen oder eildrehzahlea verhindert, wobei zumeist eia Ventil vorzusehen ist, um unter Hormalbeäingungen ein Abblasen au verhindern« Andererseits stellte man fest, dass Leistungs-Verluste auftreten, wenn Gas abgeblasen wird, wenn dies nicht nötig ist.

Unter erneuter Bezugnahme auf Pig. 6 ist festzustel— len^ dass bei 15$ meridionalem Abstand die statischen Drücke an der Fläche 34 sowohl oberhalb als auch unterhalb der Linie 118 (Aussendruck) liegen. An dieser Stelle ist in

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der Hülle 28 vorgesehen, durch den aus den Kanälen 47 des Läufers 20 Luft nach aussen strömt, wenn Drehzahlen bis zu 95% der Auslegedrehzahl des Verdichtere vorliegen. Oberhalb einer Drehzahl von 95$ der Auslegedrehzahl kehrt sich das Druckverhältnis jedoch um, so dass durch den Schlitz 120 Luft in den Verdichter durch die Hülle einströmte

Dieser Zustrom von Luft ist von Bedeutung, da Verdichter der hier vowemdeten Art bei Auslegedrehzahl und darüber liegenden Drehzahlen ein begrenzte« Schluckvermögen haben, wenn sie mit einem beschaufelten Diffusor zusammen arbeiten. Bei Zuordnen eines schaufellosen Diffusor» ist diese Begrenzung des Schluckvermögens bei allen Drehzahlen vorhanden» Eine das Schluckvermögen vermindernde Drosselung findet stromaufwärts des 15#igen meridionalen Abstands statt, und die dort vorgesehen Schiitsse 120 stromabwärts dieser Brosselstell· bewirkt eine Erhöhung des Schluckvermögene bei hohen Drehzahlen und hohen Wirkungsgrad des Verdichters. Die Zufuhr von Luft durch den S_ehlitz 120 bei hohen Drehzahlen, gestattet den Ringquerschnitt des Einlasse 32 kleiner zu wählen, wodurch für Betrieb mit Teildrehzahl bessere Betriebsbedingungen erzielt werden.

Bei Teildrehzahlbetrieb kann bei einem Wechsel des Verdichters aus dem Stillstamd durch Abblasen von Luft eine Wirkungegradverteesserung von bis zu 4$ erzielt werden. Aber auofe ohne einen solchen Wechsel des ^etriebszustandes ergeben sich bessere Wirkungsgrade, wahrscheinlich infeige der Bildung von Grenzschichten an der Innenfläche 54 der

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Hülle 28,

'im Ausftihrungsbeispiel erstreckt sich eier Schlitz 12p

über den gesamten Umfang der Hülle 28» !«wird von Brückenelementen 122 überspannt, die die Versteifung der Hülle 28 in diesem Bereich bewirken«, Gewünsohtenfalls können aber auch über den Umfang mit Abstand voneinander angeordnete löcher anstelle des S_chlltzee verwendet werden» sofern nur ausreichende Querschnitte bereit gestellt werden können

Me erfindungsgemäsae Anordnung ist bei einfachem Aufbau wirksam ,tun die Arbeitsweise eines Verdichters wesentlich zu verbessern, und vermeidet zusätzliche Ventile bekannter Bauarten.

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INSPECTED

Claims

2835235

?''-::röl s» S

30«August 1979 W-w-3359

General Motors Corporation, Detroit , Michigan, V, St »A.

Gas verdichter

Patentansprüche :

i 1 J G-asverdi enter mit gesteuertem Durchfluss, ■bestehend aus einer ortsfesten ringförmigen Hülle mit einem Einlass, einem Auslass und einer Innenwand, in der ein Belüftungsloch vorgesehen ist, und einem innerhalb der Hülle an— feeordneten läufer mit radial nach aussen gerichteten Schaufeln, die jede eine Eintrittskante, eine Austrittekante und eineneicht neben der Innenwand der Hülle liegenden Schaufel* kopf hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (20) längs der Innenwand (54) der Hülle (28) einen Verlauf des statischen Drucks in. einem meridionalen Abstand vom Einlass zum Auslass des Läufers liefert, bei dem der statische Druck bei kleinem meridionalen Abstand bei allen Drehsahlen des Läufers kleiner als der Aussen— druck ist, bei grossem meridionalen Abstand bei allen Drehzahlen des Läufers höher als der Aussendruck Ist, und In einem mittleren meridionalen Abstand in einem Seildrehzahlbereich grosser als der Aussendruck und bei oberhalb dieses

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Bereichs liegenden Drehzahlen kleiner als der Aussendruck ist, und dass in diesem mittleren Bereich des meridionalen Abstands ein Belüftungsloeh (120) vorgesehen ist, durch das

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"bei Drehzahlen oberhalb des/Drehzahlbereichs Gas zur Erhöhung des Schluckvermögens des läufers eintritt und bei Drehzahlen innerhalb dee Teildrehzahlbereichs Gas zur Stabilisierung der Strömung austritt·

·> ' 2. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Belüftungsloch (120) als sich über den Umfang der Innenwand (54) der Hülle (28) erstreckender Schlitz ausgebildet ist, der sich radial nach aussen durch die Hülle erstreckt und von Brtickenelementen (122) überdeckt ist, die mit Abstand voneinander über den ü_mfang verteilt die Hülle im Bereich des Schlitzes ohne wesentliche Beeinträchtigung des Stroms durch den Schlitz verstärken.

3. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von über den Umfang mit Abstand voneinander verteiltetHelüftungslöcher in der Innenwand der Hülle (28) vorgesehen sind, die sich durch diese radial nach aussen erstrecken.

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