DE2935235C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasverdichter mit gesteuertem Durchfluß, bestehend aus einer ortsfesten ringförmigen Hülle mit einem Einlaß, einem Auslaß und ei­ ner Innenwand, in der ein Belüftungsloch vorgesehen ist, und einem innerhalb der Hülle angeordneten Läufer mit ra­ dial nach außen gerichteten Schaufeln, die jede eine Ein­ trittskante, eine Austrittskante und einen dicht neben der Innenwand der Hülle liegenden Schaufelkopf hat (vgl. z. B. GB 8 01 771).

Derartige Gasverdichter mit nachgeschaltetem Diffu­ sor werden zur Bereitstellung der Brennluft bei Gasturbinen­ triebwerken für Luftfahrzeuge eingesetzt. Es ergeben sich hierbei Betriebsbedingungen, bei denen eine plötzliche Ver­ zögerung von voller Leistung erfolgt, auf die unmittelbar eine plötzliche Beschleunigung von nahezu Leerlaufdrehzahl auf volle Leistung eintritt. In diesem Zusammenhang auf­ tretende Druckspitzen werden bisher dadurch abgebaut, indem ein wesentlicher Teil des Verdichterstroms über ein Entlüftungsventil aus dem Strömungsweg abgeleitet wird, um zum Auslaß des Verdichters zu gelangen. Die hierzu nö­ tigen Ventile können aber bei normalen Betriebsbedingungen öffnen, und bedingen dann einen beachtlichen Leistungsver­ lust des Triebwerks.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ei­ nen Gasverdichter der eingangs erwähnten Art so weiter auszubilden, daß bei kleinen Drehzahlen eine einwandfreie Strömung und bei hohen Drehzahlen ein hohes Schluckvermö­ 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 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird mit der vor­ gesehenen einzigen Belüftungseinrichtung beide Teilauf­ gaben gelöst und hierbei in vorteilhafter Weise eine besonde­ re Steuerung durch Ventile vermieden. Es wird hierdurch die Zuverlässigkeit wesentlich erhöht.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Teillängsschnitt durch einen Verdichter nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in größerem Maß­ stabe,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in noch größerem Maßstabe,

Fig. 4 eine Stirnansicht der Hülle des Verdichters von der Einlaßseite her,

Fig. 5 ein Schaubild, das die Arbeitsweise eines erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich mit bisherigen Verdichtern aufzeigt und

Fig. 6 ein Schaubild, in dem der statische Druck 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 umlaufenden Teile des Verdichters. Die vordere Halterung 12 hat mehrere mit Abstand in Umfangsrichtung angeordnete axiale Streben 16, die im wesentlichen radial zu einem Ein­ laß 18 liegen, der zwischen der vorderen Halterung 12 und einer Hülle 22 gebildet ist und zu einem Läufer 220 des Ver­ dichters führt, welcher zwischen den beiden Halterungen angeordnet ist. Die Hülle 22 hat am stromabwärtigen Ende eine abgesetzte Schulter 24, die mit einem Flansch 26 einer äußeren Hülle 28 zusammenarbeitet, die den Läufer 20 um­ gibt. 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 Nabe 36 auf, die sich nach vorn erweiternd eine glatte Fläche 38 aufweist, und ebenfalls plötzliche Änderungen der Strömungsrichtung im Einlaßkanal 32 verhindert. Die Fläche 38 geht in eine glatte Fläche 40 über, die an der Nabe 42 des Läufers 20 gebildet ist. Es ergibt sich somit eine weitgehend gleichmäßige Stromver­ teilung vom Einlaßkanal 42 zum Einlaß 44 des Verdichters.

Im Einlaß 44 des Verdichters sind mehrere Schaufeln 46 gebildet, die sich über die ganze Länge des im Läufer 20 gebildeten Kanals erstrecken und zwischen sich Kanäle 47 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 Eintritts­ kante 50 auf und haben einen der Innenwandung der Hülle 28 angepaßten Schaufelkopf 52, der mit einem abreibbaren Be­ lag 54 aus einer Aluminiumlegierung zusammenarbeitet, mit dem die Innenwand der Hülle 28 bekleidet ist, um durch Ein­ schaben ein kleinstmögliches Spiel zwischen Läufer und Hülle zu erhalten. Die Schaufeln 46 sind tangential zurückgebogen aus der radialen Richtung und enden mit einer Austrittskan­ te 56 am äußeren Radius des Läufers 20.

Die Schaufeln 48 haben ebenfalls eine Eintrittskante 58 und eine dem Belag 54 der Hülle 28 angepaßten Schaufel­ kopf 60. Auch diese Schaufeln sind tangential aus der ra­ dialen Richtung abgebogen und enden ebenfalls am äußeren Radius des Läufers.

Der Läufer 20 ist drehbar in einem hinteren Lager 64 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 Anschlußstücks 72 eingreift. Das Ende 76 des Anschlußstücks ist durch Verbindungsmittel 78 (Scheibe und Schraube) mit der Nabe 42 verbunden. Mit dem Anschlußstück 72 ist eine nicht dargestellte Antriebswelle zum Antrieb des Verdichters verbunden. Das hintere Lager 64 enthält Kugeln 80 und ist in einem Lagerstuhl 82 der hinteren Halterung abgestützt. Die hintere Halterung 14 weist zwei in axialem Abstand voneinander liegende abreib­ bare Flächen 84 und 86 auf, die mit Labyrinthdichtungen 88 und 90 an der Nabe 42 zusammenarbeiten, um Niederdruckräume des Verdichters von dem Strömungsweg im Läufer zu trennen.

Eine Fläche 92 der hinteren Halterung 14 bildet die rückseitige Begrenzung, die der hinteren Wand 94 der Nabe 42 gegenüberliegt und in einem Flansch 96 endet, an dem die Rückwand 98 eines dem Läufer nachgeschalteten Diffusors 100 befestigt ist. Am radial äußeren Rand der Hülle 28 ist ein Flansch 104 gebildet, der eine Vorderwand 102 des Diffusors trägt, wozu mehrere Schrauben 106 sorgen, die außerdem eine Auslaßkammer 106 des Diffusors tragen. Der Diffusor 100 hat eine Eintrittskante 112, die vom äußeren Umfang des Läufers 20 Abstand hat, so daß ein Zwischenraum 114 gebildet ist, in denen ein Ausgleich er­ folgt, um die Ströme durch den Läufer und den Diffusor zu koordinieren. Da dieser Bereich für Diffusoren dieser Art besonders kritisch ist, muß eine entsprechende Abstim­ mung vorgenommen werden, die Druckänderungen im Läufer des Verdichters, die Druckerhöhung im Diffusor, Druckverluste u. dgl. berücksichtigen. Hierzu ist die Auslage der Zahl der Diffusorkanäle, deren Querschnittsverhältnis und Länge, sowie die Geometrie des Einlasses zum Diffusor entsprechend zu wählen.

In Fig. 5 ist das Verdichterverhältnis als Funktion der Strömungsmenge durch den Verdichter mit Linien gleicher Drehzahl veranschaulicht. Die die linken Enden der Dreh­ zahllinien verbindende 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 Fig. 1. Das un­ tere Ende der Linie 116 entspricht einem Stillstand im Diffusor und am Einlaß des Läufers 20. Die niedrige Dreh­ zahl, bei der an den Eintrittskanten 50 ein Stillstand ein­ tritt 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 des Verdichters vorliegt, und schließt eine wirksame Korrektion der Leistung durch Abblasen über ein Belüftungsventil aus. Ist ein Ab­ blasen aus dem Verdichter ein nicht annehmbarer Kompromiß, so kann der Stillstand im Diffusor durch in seinem Bereich vorgesehene Belüftungslöcher in der ihn umgebenden Hülle beseitigt werden.

In Fig. 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 Funktion der Verdichterdrehzahl längs einer Triebwerksbetriebslinie dargestellt sind.

Da die Meßwerte auf Normalbedingungen 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%- Punkt 121 (Eintrittskante des Läufers) bis zum 100%-Punkt 124 am äußeren Rand 56 des Läufers ergibt mit einem meridio­ nalem Bereich 119. Kleine meridionale Abstände haben Orte, die dem Punkt 121 nahe liegen; mittlere meridionale Abstände haben Werte von 10 bis 15% und große meridionale Abstände weisen Werte von 30 und mehr % auf. Bei 30 und mehr % ist bei allen Läuferdrehzahlen der statische Druck stets größ­ er als der Außendruck (Linie 118). Ein in diesem Bereich angeordnetes Belüftungsloch würde also stets einen Abstrom von Gas durch die Hülle 28 bei allen Drehzahlen zeitigen. Hierdurch würde der Stillstand im Verdichter bei kleinen oder Teildrehzahlen verhindert, wobei zumeist ein Ventil vorzusehen ist, um unter Normalbedingungen ein Abblasen zu verhindern. Andererseits stellte man fest, daß Leistungs­ verluste auftreten, wenn Gas abgeblasen wird, wenn dies nicht nötig ist.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 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 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 Verdichters 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 einströmt.

Dieser Zustrom von Luft ist von Bedeutung, da Ver­ dichter der hier verwendeten Art bei Auslegedrehzahl und darüberliegenden Drehzahlen ein begrenztes Schluckvermögen haben, wenn sie mit einem beschaufelten Diffusor zusammen arbeiten. Bei Zuordnen eines schaufellosen Diffusors 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 vorgesehenen Schlitze 120 stromabwärts dieser Drosselstelle bewirkt eine Erhöhung des Schluckver­ mögens bei hohen Drehzahlen und hohen Wirkungsgrad des Ver­ dichters. Die Zufuhr von Luft durch den Schlitz 120 bei hohen Drehzahlen gestattet den Ringquerschnitt des Einlasses 32 kleiner zu wählen, wodurch für Betrieb mit Teildrehzahl bessere Betriebsbedingungen erzielt werden.

Bei Teildrehzahlbetrieb kann bei einem Wechsel des Verdichters aus dem Stillstand durch Abblasen von Luft eine Wirkungsgradverbesserung von bis zu 4% erzielt werden. Aber auch ohne einen solchen Wechsel des Betriebszustandes ergeben sich bessere Wirkungsgrade, wahrscheinlich infolge der Bildung von Grenzschichten an der Innenfläche 34 der Hülle 28.

Im Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Schlitz 120 über den gesamten Umfang der Hülle 28. Er wird von Brücken­ elementen 122 überspannt, die die Versteifung der Hülle 28 in diesem Bereich bewirken. Gewünschtenfalls können aber auch über den Umfang mit Abstand voneinander angeordnete Löcher anstelle des Schlitzes verwendet werden, sofern nur ausreichende Querschnitte bereit gestellt werden können.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist bei einfachem Aufbau wirksam, um die Arbeitsweise eines Verdichters we­ sentlich zu verbessern, und vermeidet zusätzliche Ventile bekannter Bauarten.

Claims (3)

1. Gasverdichter mit gesteuertem Durchfluß, beste­ hend aus einer ortsfesten ringförmigen Hülle mit einem Ein­ laß, einem Auslaß und einer Innenwand, in der ein Belüf­ tungsloch vorgesehen ist, und einem innerhalb der Hülle an­ geordneten Läufer mit radial nach außen gerichteten Schau­ feln, die jede eine Eintrittskante, eine Austrittskante und einen dicht 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 Drehzahlen des Läufers kleiner als der Außen­ druck ist, bei großem meridionalen Abstand bei allen Dreh­ zahlen des Läufers höher als der Außendruck ist, und in ei­ nem mittleren meridionalen Abstand in einem Teildrehzahlbe­ reich größer als der Außendruck und bei oberhalb dieses Bereichs liegenden Drehzahlen kleiner als der Außendruck ist, und daß in diesem mittleren Bereich des meridionalen Abstands ein Belüftungsloch (120) vorgesehen ist, durch das bei Drehzahlen oberhalb des Teildrehzahlbereichs Gas zur Erhö­ hung des Schluckvermögens des Läufers eintritt und bei Dreh­ zahlen innerhalb des Teildrehzahlbereichs Gas zur Stabilisierung der Strömung austritt.

2. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Belüftungsloch (120) als sich über den Um­ fang der Innenwand (54) der Hülle (28) erstreckender Schlitz ausgebildet ist, der sich radial nach außen durch die Hülle erstreckt und von Brückenelementen (122) überdeckt ist, die mit Abstand voneinander über den Umfang verteilt die Hülle im Bereich des Schlitzes ohne wesentliche Beeinträchtigung des Stroms durch den Schlitz verstärken.

3. Gasverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Reihe von über den Umfang mit Abstand voneinander verteilten Belüftungslöcher in der Innenwand der Hülle (28) vorgesehen sind, die sich durch diese radial nach außen erstrecken.