DE3112008A1

DE3112008A1 - "verdichtungsabschnitt einer axialstroemungsmaschine und verfahren zum verschieben der aerodynamischen belastung"

Info

Publication number: DE3112008A1
Application number: DE19813112008
Authority: DE
Inventors: Thomas Charles 06052 New Britain Conn. Walsh
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1980-04-28
Filing date: 1981-03-26
Publication date: 1982-01-14
Also published as: SE8101917L; IL62345A; FR2481379A1; FR2481379B1; GB2075130B; CA1157779A; JPH0222239B2; JPS56167899A; SE452181B; GB2075130A; US4371311A; IL62345A0; DE3112008C2

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101 V.St.A.

Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine und Verfahren zum Verschieben der aerodynamischen Belastung

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke und betrifft insbesondere einen im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg in dem Verdichtungsabschnitt eines solchen Triebwerks .

Ein Gasturbinentriebwerk hat einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Ein im Querschnitt ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich durch das Triebwerk. Eine Innenwand und eine Außenwand begrenzen den Ringströmungsweg. In typischen bekannten Konstruktionen erstrecken sich Kränze von Leitschaufeln von der Außenwand radial nach innen und Kränze von Laufschaufeln von der Innenwand radial nach außen. Die Leitschaufelkränze und die Laufschaufelkränze sind zwischen einander angeordnet. In dem Verdichtungsabschnitt laufen die

130062/0700

Wände des Strömungsweges allmählich aufeinander zu. Eine solche Konstruktion, die einen Strömungsweg hat, der sowohl an der Außenwand als auch an der Innenwand konvergiert, ist in der US-PS 2 869 820 beschrieben. Eine weitere Konstruktion, die eine konvergierende Außenwand mit konischer Form und
eine zylindrische Innenwand hat, ist in der US-PS 2 672 279 beschrieben. Die US-PS 2 801 071 beschreibt eine Konstruktion, die eine konische Innenwand und eine zylindrische Außenwand hat.

Bei jeder dieser Konstruktionen wirken die Läuferbaugruppe
und die Leitradbaugruppe so zusammen, daß die Arbeitsmediumgase verdichtet werden. Wenn die Gase verdichtet werden,
steigen die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase an.
An jedem Laufschaufelkranz ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des Ruhe- oder statischen Druckes begleitet.

Es ist üblich, die Ruhedruckverteilung an einem Flügelprofilabschnitt und über dem Flügelprofilabschnitt durch einen Druckkoeffizienten P auszudrücken. Der Druckkoeffizient (oder die Ruhedruckziffer)P ist das dimensionslose Verhältnis des Ruhedruckanstiegs zwischen einem stromaufwärtigen Punkt und einem Punkt an dem Flügelprofilteil zu dem Stau- oder dynamischen Druck an dem stromaufwärtigen Punkt. Das kann durch folgende Formel ausgedrückt werden

PV²

wobei ρ den Druck in irguneUdneiii !»unkt an dem FlÜtjelprof U-abschnitt,

ρ den Druck in einem Abstand stromaufwärts von dem Flügel-

° 2

proillabflchriitt, umi (1/2) pV ami Mt rom.iufwUi't ig^n dynamischen Druck oder Staudruck darstellt.

130062/0700

Die aerodynamische Belastung über einem Flügelprofilabschnitt ist definiert als der Ruhedruckanstieg über dem gesamten Flügelprofilabschnitt dividiert durch den EinlaßStaudruck oder dynamischen Einlaßdruck. Im Betrieb sind hohe aerodynamische Belastungen an Flügelprofilabschnitten häufig von einer Strömungsablösung begleitet. Da der Flügelprofilabschnitt sich in der Richtung zunehmenden Ruhedruckes in einem Verdichter befindet, besteht die Tendenz, daß sich die Strömung von den Schaufel- und Wandoberflächen "ablöst".

Die Ablösung verringert den Wirkungsgrad des Laufschaufelkranzes und kann in extremen Fällen zu einer Erscheinung führen, die als Pumpen bezeichnet wird. Das Verdichterpumpen ist im allgemeinen durch ein vollständiges Anhalten der Strömung, eine Strömungsumkehr in dem Verdichtersystem oder eine scharfe Verringerung des Luftströmungsverarbeitungsvermögens des Triebwerkes bei bestimmter Betriebsdrehzahl gekennzeichnet. Letzteres wird als "hängendes Pumpen" (hung surge) bezeichnet. Das Triebwerk wird im allgemeinen auf Gaszufuhrerhöhungen nicht richtig ansprechen, wenn ein solcher Zustand vorhanden ist.

Wissenschaftler und Ingenieure suchen deshalb, den Pumpspielraum und den Wirkungsgrad eines Laufschaufelkranzes durch Beeinflussen der Verteilung der aerodynamischen Belastung über den Flügelprofilabschnitten zu verbessern.

Hauptziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Laufschaufelkranzes in einem Verdichtungsabschnitt eines Gasturbinentriebwerks zu verbessern. Außerdem soll der Pumpspielraum in dem Verdientungsi)schnitt vergrößert werden. Außerdem soll insbesondere die Verteilung der Belastung über den Flügelprofilabschnitten der Laufschaufeln in Richtung der Schaufelhöhe, d.h. in Richtung der Spannweite der Schaufel verschoben werden.

130062/0700

Gemäß der Erfindung wird die Verteilung der aerodynamischen Belastung an einem rotierenden Flügelprofilabschnitt in einer Axialströmungsmaschine in Richtung der Schaufelhöhe verschoben, indem die Stromlinien des Strömungsweges in den Kantenbereichen an der Innen- und an der Außenwand veranlaßt werden, einer Krümmung in derselben radialen Richtung bezüglich der Triebwerksachse zu folgen.

Ein Hauptmerkmal der Erfindung ist der im Querschnitt ringförmige Strömungsweg eines Verdxchtungsabschnittes. Dieser Ringweg hat eine Innenwand und eine Außenwand. Ein rotierender Flügelprofilabschnitt hat einen Kantenbereich, der sich zwischen den Wänden erstreckt. Ein weiteres Merkmal sind die Wandbereiche, wo die Steigungen der Innenwand und der Außenwand sich in bezug auf die Triebwerksachse ändern. In einer Ausführungsform sind diese Wandgebiete zwischen den Kränzen von rotierenden Flügelprofilabschnitten und den Kränzen von nichtrotierenden Flügelprofilabschnitten angeordnet und durch kegelstumpfförmige Wandflächen an die Wurzeln der Flügelprofilabschnitte angeschlossen, während zylindrische Wandflächen einen radialen Abstand von den Spitzen der Flügelprofilabschnitte aufweisen.

Ein Hauptvorteil der Erfindung ist die Steigerung des Wirkungsgrades eines Kranzes von Laufschaufeln, die aus der Verschiebung der Belastungsverteilung in Richtung der Schaufelhöhe resultiert. Eine Vergrößerung des Pumpspielraums, d.h. des Sicherheitsspielrauras, bevor es zu einem Pumpen kommt, ergibt sich aus der Umverteilung von örtlich begrenzten Belastungen in Richtung der Schaufelhöhe. In einer Ausführungsform resultiert ein weiterer Anstieg des Wirkungsgrades einer Stufe auy dem emgeren BpaJL iawiaohen rollurunden und nlolitrutierenden Teilen, der durch die zylindrischen Oberflächen ermöglicht wird, welche den Spitzen von rotierenden und nichtrotierenden Flügelprofilteilen zugewandt sind, im Vergleich

130062/0700

zu Plügelprofilteilen, die Spitzen haben, welche durch einen Spalt radial von einer kegelstumpfförmigen Oberfläche getrennt sind.

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

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Turbofan-Triebwerks, bei welchem das äußere Gehäuse weggebrochen ist, um einen Teil der Läuferund Leitradbaugruppen in dem Verdichterabschnitt sichtbar zu machen,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Läufer- und Leitradbaugruppen von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht, die einem Teil von Fig. entspricht und eine weitere Ausführungsform zeigt, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Läufer- und Leitradbaugruppen.

Fig. 1 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung bei einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind ein Fan-Verdichtungsabschnitt 10, ein Kernverdichterabschnitt 12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16. Das Triebwerk hat eine Achse A. Eine Läuferbaugruppe 18 erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt und den Turbinenabschnitt. Eine Leitradbaugruppe umschließt die Laufradbaugruppe. Ein im Querschnitt ringförmiger Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt und wird durch Teile der Leitradbaugruppe und der Läuferbaugruppe begrenzt.

130062/0700

Gemäß Fig. 2 hat die Leitradbaugruppe 20 ein äußeres Gehäuse 24. Das äußere Gehäuse hat eine Außenwand 26, die den Ringströmungsweg umschließt. Die Läuferbaugruppe 18 hat eine Innenwand 28, die einwärts mit Abstand von der Außenwand angeordnet ist. Die Innenwand begrenzt den Ringströmungsweg 22. Wände mit konstanter Steigung, die den Ringströmungsweg begrenzen, sind durch die gestrichelte Linie F dargestellt. Kränze von Leitschaufeln, die durch die einzelne Leitschaufel 30 und die einzelne Leitschaufel 32 dargestellt sind, sind an der Außenwand befestigt. Die Leitschaufeln erstrecken sich einwärts bis in die Nähe der Innenwand. Die Leitschaufelkränze und die Laufachaufelkränze, welch letztere durch die einzelne Laufschaufel 34 und dto einzelne Laufschaufel 36 dargestellt Bind, sind in der dargestellten Weise zwischen einander angeordnet oder ineinander geschachtelt. Die Lauf-SQhaufe!kränze erstrecken sich nach auß*:m bia in die Nähe der Außenwand.

Jede Laufschaufel 36 hat einen Flügelprofilabschnitt 38. Der Flügelprofllabechniti; hat nine Baais 40, «Ine VordorkanUi 42, eine Hinterkante 44 und eine Spitze 46. Jeder l'rofllabschnltt hat eine sich in der Schaufelhöhe oder-spannweite erstreckende Acheo B, die öich in «incr im w<*««ntLiehen radialen Richtung nach außen erstreckt. Jede Leitschaufel 32 hat eine Basis 48, eine Vorderkante 50, eine Hinterkante 52 und eine Spitze 54.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform alu in Fig. 2, und zwar mit einer Innenwand 56, die durch Elemente der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe gebildet ist. Jede Leitschaufel 58 hat «ine Ummantelung 60. Dl« UmroanteJurui erstreckt öich axial in die Nähe der Läuferbaugruppe und hat eine nach außen weisende Fläche 62. Die Läuferbaugruppe hat eine nach außen weisende Flüche 64. DLuuo nach außen wciutmden Flüchen an d«M Läuferbaugruppe und an der Leiträdbaugruppe begrenzen gernein-

130062/0700

sam die Innenwand 56, wie durch die gestrichelte Linie G dargestellt. Die gestrichelte Linie F veranschaulicht Wände mit konstanter Steigung, die den Ringströmungsweg begrenzen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des Verdichterabschnittes 12, die die Wege von Teilchen von Arbeitsmediumgasen zeigt, die nahe der Außenwand 26, der Innenwand 28 und der Mitte des Ringströmungsweges 22 durch den Verdichterabschnitt strömen. Diese Wege werden üblicherweise als Stromlinie bezeichnet. Die Stromlinien S befinden sich nahe der Außenwand, die StromlinienS befinden sich ungefähr in der Mitte des Strömungsweges, und die Stromlinien S. befinden sich nahe der Innenwand.

Der Vorderkante 42 jedes Profilabschnittes ist ein Vorderkantenbereich 66 zugeordnet. Der Hinterkante 44 ist ein ,Hinterkantenbereich 68 zugeordnet. In dem Kantenbereich an der Außenwand hat jede Stromlinie S eine erste Krümmung, die einen übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Vorderkante und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante und stromabwärts der Hinterkante bildet. In dem Kantenbereich an der Innenwand hat jede Stromlinie S. eine erste Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Vorderkante und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante und stromabwärts der Hinterkante bildet. Die Wege S_i und S_Q sind Funktionen von x, gemessen in einer Ebene, die die Achse A des Triebwerks (x-Achse) enthält und einen Punkt auf der Stromlinie schneidet. Eine solche Ebene ist eine Radialebene. Die y-Achse, die zu der x-Achse rechtwinkelig ist, erstreckt sich in Richtung der Schaufelhöhe oder -Spannweite und liegt in der Radialebene. Jede Stromlinie wird durch eine Gleichung

130062/0700

der Form y = f (x) beschrieben. Die Krümmung in dem Punkt auf der Stromlinie ist in rechtwinkeligen Koordinaten durch folgende Formel gegeben:

Krümmung = —

2
wobei -^- und —^ die erste bzw. zweite Ableitung von y nach χ

^αχ άχ^χ
sind.

Die Innenwand 28 ist in einem Abstand R. von der Achse A des Triebwerks an einem axialen Ort χ angeordnet. An dem Ort χ hat die Innenwand eine Steigung R' . in be::ug auf die Achse A des Triebwerks, gemessen in einer Ebene, die die Außenwand schneidet und die Achse des Triebwerks enthält. Die Außenwand 26, die den Strömungsweg umschließt und begrenzt, ist in einem Abstand R von der Achse des Triebwerks an dem axialen Ort χ angeordnet und hat eine Steigung R¹ in bezug

OX

auf die Achse des Triebwerks, gemessen in der Ebene, die die Außenwand schneidet und die Achse des Triebwerks enthält.

In dem Vorderkantengebiet 66 an der Außenwand 26 haben R und R'_x eine Größe R ₁ und R" ₁ an einem ersten Ort und eine

Größe R ~ und R¹ _o an einem zweiten Ort. Der zweite Ort beo2 o2

findet sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Außenwand an dem ersten Ort weiter von der Achse des Triebwerks weg ist als die Außenwand an dem zweiten Ort und die Steigung an dem erseen Ort ungleich der Steigung an dem zweiten Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von R_q1 zu R_q2 größer als eins R ₁ , und R' ₁ ist ungleich R¹ _?

(κ°-ί > 1,0) ^ol ^Ro2

(R¹ ₁ ji R' ) . Der Absolutwert von R" ₁ ist größer als der Absolutwert von R'_o2 (|R'_o1| > l^R'_o2t )· ^Die Steigung von R' 2 ist, wie dargestellt, gleich null.

130082/0700

In dem Vorderkantenbereich 66 an der Innenwand 28 haben R.

und R¹J_x eine Größe R.- und R'.- an einem ersten Ort und eine Größe R_i2 und R'_i2 ^an einem zweiten Ort. Der zweite Ort liegt stromabwärts des ersten Ortes, so daß sich die Innenwand an dem ersten Ort näher bei der Achse des Triebwerks als die Innenwand an dem zweiten Ort befindet und die Steigung an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem zweiten Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis R... zu R.,

kleiner als eins R₁₁ , und R¹... ist ungleich R'

(=Ü < 1,0) ^{1Ί l2}

^Ri2

(R' $ ^R'i2^' ^Der Absolutwert von R'--i ist kleiner als der Absolutwert von R'_i2 < I^R" ü I ^< l^R'i2^' ^Die Steigung von R¹.. ist, wie dargestellt, gleich null (R¹.. = 0).

In dem Hinterkantenbereich 68 an der Außenwand 26 haben R

und R¹ eine Größe R- und R¹ ₃ an einem ersten Ort und eine

Größe R - und R¹ . an einem zweiten Ort. Der zweite Ort beo4 o4

findet sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Außenwand von der Achse des Triebwerks an der ersten Stelle weiter weg ist als die Außenwand an dem zweiten Ort, und die Steigung an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem zweiten Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von R₃ zu

R . größer als eins R ₃ , und R¹ ₃ ist ungleich R¹ .

(ö— > 1 /0)
^Ro4

(R' ₃ φ R'_o4)· Der Absolutwert R'_o3 ist kleiner als der Absolutwert von R'_o4 (1R*_o3 j < iR^f ₄ J)- Die Steigung R'_o3 ist, wie dargestellt, gleich null.

In dem Hinterkantenbereich 68 an der Innenwand 28 haben R. und R'. eine Größe R.₃ und R¹·₃ an einem ersten Ort und eine Größe R-₄ und R'-₄ an einem zweiten Ort. Der zweite Ort befindet sich stromabwärts des ersten Ortes, so daß die Innenwand an dem ersten Ort näher bei der Achse des Triebwerks als die Innenwand an dem zweiten Ort ist und die Steigung

130062/0700

an dem ersten Ort ungleich der Steigung an dem zweiten Ort ist. Infolgedessen ist das Verhältnis von R₁₃ zu R.. kleiner

als eins, d.h. R._ , und R'._ ist ungleich R¹.. (^ < 1,0) ^{1J 14}

^Ri4
(R¹ _i3 Φ ^R'i4^· ^Der Absolutwert von R'-₃ ist größer als der Absolutwert von R'-₄ (|R'.₃| > |R'.₄|). Die Steigung von ^R'i4 -*-^s*-/ ^w:*-^e dargestellt, gleich null.

Stromabwärts der Laufschaufel 36 hat die Innenwand 28 an der Leitschaufel 32 eine zylindrische Fläche, die nach außen weist. Die Fläche erstreckt sich axial über die Vorderkante 50 und die Hinterkante 52 der Leitschaufel hinaus. R. und R'. haben an jedem Ort, der der Leitschaufel zugewandt ist, einen konstanten Wert R-₅ und R¹-c- In der gezeigten Ausführungsform ist R'jc gleich null. Die Innenwand stromaufwärts der Leitschaufel und in der Nähe der Laufschaufel hat eine kegelstumpfförmige Fläche, die sich zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich (i2) und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich (i3) erstreckt. Das Verhältnis von R_i2 zu R.o ist größer als eins R.- ,so daß eine Strömungs-

^Ri3
wegkontraktion an der Innenwand längs der Kegelstumpffläche an der Basis 40 der Laufschaufel auftritt. Die Außenwand stromaufwärts der Leitschaufel und in der Nähe der Laufschaufel hat eine zylindrische Fläche, die sich zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich (o2) und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich (o3) erstreckt. Das Verhältnis von R- zu R_q3 ist gleich eins R_q2 . Eine zylindrische

^(ro7 " ¹'⁰⁾

Fläche ist den Spitzen des Laufschaufelkranzes zugeordnet und erstreckt sich über die Vorderkante 42 und über die Hinterkante 44 hinaus.

Im Betrieb eines Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsmediumgase durch das Triebwerk. Die Gase folgen dem Ringströmungs-

130062/0700

weg 22. In dem Verdichterabschnitt 12 wirken die Läuferbaugruppe 18 und die Leitradbaugruppe 20 zusammen, um die Arbeit smediumgase zu verdichten, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase ansteigen. An dem Kranz der Laufschaufeln 36 ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des statischen Druckes begleitet. Der Anstieg des statischen Druckes verursacht eine aerodynamische Belastung über jedem Flügelprofilabschnitt.

Die Kontur der Außenwand 26 und die Kontur der Innenwand 28 beeinflussen diese aerodynamische Belastung. Gemäß Fig. 4 folgen die Stromlinien S. der Innenwand. Die Stromlinien S folgen der Außenwand. In dem Vorderkantenbereich ist die Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwand und nahe der Innenwand positiv, d.h. von der Achse des Triebwerks weggerichtet. Die Krümmung hat mit Bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konvexe Form. Ein Ruhedruckgradient in Richtung der Spannweite, d.h. in radialer Richtung muß vorhanden sein, um diese Krümmung der Stromlinien zu ermöglichen. Der örtliche Ruhedruck für die konvexen Stromlinien ist an der Innenwand höher und an der Außenwand niedriger, im Vergleich zu dem mittleren Ruhedruck in dem gesamten Kantenbereich. Darüber hinaus tritt derselbe örtliche Effekt auf, wenn der Druckgradient für den konturierten Strömungsweg mit dem Druckgradienten an der Innenwand und der Außenwand eines Strömungsweges verglichen wird, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind. Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem Vorderkantenbereich durch ein Pluszeichen (+) an der Innenwand und durch ein Minuszeichen (-) an der Außenwand angegeben.

Die Belastung über dem Flügelprofilabschnitt, p-p , ist direkt

proportional zum Ruhedruckanstieg über dem Flügelprofilabschnitt und am stärksten von diesem abhängig. Da der Ruhe-

130082/0700

druckanstieg die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem Punkt stromaufwärts der Vorderkante und einem Punkt stromabwärts der Hinterkante ist, wird die Belastung an der Wurzel des Flügelprofilabschnittes verringert und an der Spitze des Flügelprofilabschnittes vergrößert. Die Belastung hat sich infolge der Konturen des Strömungsweges in Richtung der Schaufelspannweite verschoben.

Die Verschiebung der Belastung in Richtung der Schaufelspannweite wird durch die Krümmung der Außenwand und der Innenwand in dem Hinterkantenbereich verstärkt. Die Stromlinien S. folgen der Innenwand. Die Stromlinien S folgen der Außenwand. In dem Hinterkantenbereich ist die Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwand und der Innenwand negativ, d.h. zur Achse A des Triebwerks gerichtet. Die Krümmung hat in bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konkave Form. Diese Krümmung ermöglicht ein Ruhedruckgradient in Richtung der Spannweite oder in radialer Richtung. Der örtliche Ruhedruckgradient für die konkaven Stromlinien ist an der Innenwand kleiner und an der Außenwand größer, im Vergleich zu dem mittleren Ruhedruckgradienten in dem gesamten Vorderkantenbereich oder im Vergleich zu dem örtlichen Ruhedruckgradienten an der Innenwand und an der Außenwand eines Strömungsweges, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind. Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem Hinterkantenbereich durch ein Minuszeichen (-) an der Innenwand und durch ein Pluszeichen (+) an der Außenwand angegeben. Da der Ruhedruckanstieg die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem Punkt stromaufwärts der Vorderkante und einem Punkt stromabwärts der Hinterkante ist, wird die Belastung an der Wurzel des Flügelprofilabschnittes weiter verringert und an der Spitze des Flügelprofilabschnittes weiter erhöht. Das hat die Verschiebung der Belastung in Richtung der Spannweite noch verstärkt.

130062/0700

Es ist zu erkennen, daß ein derartiges Konturieren der Innen- und der Außenwand in dem Vorderkantenbereich oder ein derartiges Konturieren der Innen- und der Außenwand in dem Hinterkantenbereich zu einer Verschiebung der Belastungsverteilung in Richtung der Spannweite führt. Darüber hinaus · wird das Umkehren der Krümmung der Stromlinien von konvex nach konkav in dem Vorderkantenbereich oder von konkav nach konvex in dem Hinterkantenbereich eine Verschiebung der Belastungsverteilung in Richtung der Spannweite verursachen, die zu der oben erläuterten Verschiebung in Richtung der Spannweite entgegengesetzt ist.

Die Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Konturen bei Wänden eines Strömungsweges an einem Kranz von rotierenden Flügelprofilabschnitten ist hilfreich, beispielsweise wenn die strömenden Arbeitsmediumgase dazu neigen, sich zuerst an der Basis des Flügelprofilabschnittes abzulösen. Ein solches Ablösen tritt häufig in den stromabwärtigen Stufen des Verdichters auf, weil die aerodynamische Belastung an der Basis jedes Flügelprofilabschnittes größer ist als die mittlere aerodynamische Belastung über dem Flügelprofilabschnitt oder die aerodynamische Belastung an der Spitze der Schaufel. Das Verringern der aerodynamischen Belastung an der Basis eines solchen Flügelprofilabschnittes führt dazu, daß die Ablösung längs des Flügelprofilabschnittes weiter stromabwärts auftritt und, wenn die Ablösung auftritt, das Ausmaß der Ablösung an jedem Punkt längs des Flügelprofilabschnittes verringert. Das Verringern des Ausmaßes der Ablösung verringert die nachteilige Auswirkung, die die Strömungsablösung auf den Wirkungsgrad hat. Eine Steigerung des Wirkungsgrades ergibt sich für die Läuferstufe gegenüber denjenigen Konstruktionen, wo nicht auf die Ablösung eingewirkt wird. Darüber hinaus ermöglicht das Verringern der Belastung an einem solchen kritischen Ort für die Läuferstufe einen stärkeren Anstieg des Gegendruckes, bevor es an dem Flügelprofilabschnitt zu einem Strömungsabriß kommt. Es kommt zu einer

130 62/0700

Vergrößerung des Pumpspielraums des Verdichtungsabschnittes.

In der dargestellten besonderen Konfiguration ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil dadurch, das zylindrische Flächen den Spitzen des Flügelprofilabschnittes in einer Läufer/ Leitrad-Stufe zugewandt sind und daß Strömungswegkontraktionen an der Basis der Flügelprofilabschnitte verwendet werden. Dieser Aufbau ermöglicht einen engen Spalt sowohl zwischen den Spitzen der Läuferflügelprofilabschnitte und der diesen zugewandten zylindrischen Außenwand als auch zwischen den Spitzen der Leitradflügelprofilabschnitte und der diesen zugewandten zylindrischen Innenwand.

In Fig. 4 ist Cr der radiale Spalt beim Zusammenbauen zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand und zwischen der Leitradspitze und der Läuferwand. Im Betrieb ermöglicht der radiale Spalt Cr der Läufer/Leitrad-Stufe, DLfferenzen im radialen Wachstum zwischen der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe zu kompensieren. Da zylindrische Oberflächen den Flügelprofilabschnittspitzen zugewandt sind, beeinflussen die Differenzen im axialen thermischen Wachstum Ca zwischen der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe nicht nachteilig die Größe des radialen Spalts Cr. Bei einem äquivalenten Ringströmungsweg, der konische Wände hat, wie sie durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind, beeinflußt die Differenz im axialen thermischen Wachstum, Ca,nachteilig die Größe des radialen Spalts Cr. Der radiale Spalt Cr zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand wird durch einen zusätzlichen radialen Spalt ACr vergrößert, um der Laufradspitze zu ermöglichen, radial von der Leitradwand wegzubleiben, wenn sich die Läuferspitze wegen Änderungen im axialen Wachstum näher zu der Leitradwand bewegt. Demgemäß ist bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau der radiale Spalt zwischen der Läuferspitze und der ihr zugewandten Wand kleiner als bei einem konischen Strömungsweg, was sich durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades ausdrückt.

2/0700

22
Leerseite

Claims

Patentansprüche :

,' Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine mit einem im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg (22) für Arbeitsmediumgase, der um eine Triebwerksachse (A) angeordnet ist,

mit einer Außenwand (26), die den Strömungsweg (22) umgibt, mit einer Innenwand (28) , die einwärts mit Abstand von der Außenwand angeordnet ist und den Strömungsweg begrenzt, und mit wenigstens einem Kranz von Laufschaufeln (34, 36), die sich von der Innenwand nach außen in die Nähe der Außenwand erstrecken und mehrere Flügelprofilabschnitte (38) aufweisen, von denen jeder in Richtung seiner Spannweite oder Höhe eine radiale Achse (B) und wenigstens ein sich in Richtung der Spannweite erstreckenden Kantenbereich (42, 44) hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) so konturiert ist, daß die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich an der Außenwand veranlaßt werden, einer Krümmung in der radialen Richtung zu folgen, die ein erstes mathematisches Vorzeichen hat, und daß die Innenwand (28) so konturiert ist.

130062/0700

daß die Krümmung der Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich an der Innenwand ein mathematisches Vorzeichen hat, welches dasselbe wie das erste Vorzeichen ist, um die Verteilung der aerodynamischen Belastung an jedem Flügel-

(38) in der radialen Righiung zu
2. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) in einem Abstand R von

Oa

der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R' in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand (26) schneidet, und daß die Innenwand (28) in einem Abstand R, von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R¹. in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand schneidet, und daß R- und R'„ eine Größe R « und R¹ « an einem ersten Ort in dem Kantenbereiöh und eins Größe R₀₂ und R'_q2 an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'_Ql ungleich

R¹ _o ist (R¹ _Λ φ R¹ ,,) , und das Verhältnis R₁ zu R _ο ist

OZ Ol Οώ Ol Ot

größer als eins R - und der Absolutwert von R¹ ₁

< ^21 > 1,0) ^o1

ist größer als der Absolutwert von R'_o2 (|^R'₀-jl > l^R'₀2l⁾' ^und R. und R¹. haben eine Größe R.. und R¹.- an einem ersten Ort in dem Kantenbereich und eine Größe Rj₀ und R¹J₀ ^an einem

Xm X +4

zweiten Ort in dem Kantenbereich, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R¹^ ungleich R._o ist (R'., φ R'._o), das Verhältnis von R.₁ zu R. ₀ ist kleiner als eins R. _Λ , und der Absolutwert von RV₁

( ψ- < 1 ,0)

^Ki2
ist kleiner als der Absolutwert von R'_i0 (Ir¹J₁I < |R'.„|).

JLZt Xl X **
3. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (26) in einem Abstand R

OX

13006270700

von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R¹ in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in der Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand schneidet, und daß die Innenwand (28) in einem Abstand R. von der Achse (A) des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R'_ix in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand schneidet,

wobei R _v und R' eine Größe R -> und R¹ -, an einem ersten ox ox o3 o3

Ort in dem Kantenbereich und eine Größe R . und R¹ . an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R' 3 ungleich R'_o4 ist (R'_o3 f R¹Q₄)' ^das Verhältnis von R_q3 zu R_q4

größer als eins ist R _o und der Absolutwert R' _Q

(«Si > 1,0) °³

^RO4

kleiner als der Absolutwert von R'_o4 ist (|R'_o3I ^< l^R"_o4l)'

und wobei R. und R¹ . eine Größe R., und R¹ .., an einem

XjC IX Ij Xj

ersten Ort in dem Kantenbereich und eine Größe R.. und R¹.. an einem zweiten Ort in dem Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'_i3 ungleich R'_i4 ist (R'_i3 Ψ ^R>i4)' ^das Verhältnis von R_i3 zu R.. kleiner als eins ist R.-, und der Absolutwert von ¹⁴ (■— < 1,0)

^Ri4
^R'i3 9^{rößer als der} Absolutwert von R'_i4 ist (|R'_i3l > |R'_i4J).
4. Verdichtungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenbereich des Flügelprofilabschnittes (38) jeder Laufschaufel (34, 36) ein erster Kantenbereich ist, daß der Flügelprofilabschnitt einen zweiten Kantenbereich hat und daß R und R¹ eine Größe R₀₃ und R¹ ₃ an einem ersten Ort in dem zweiten Kantenbereich und

eine Größe R . und R¹ , an einem zweiten Ort in dem zweiten o4 o4

Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'₃ ungleich R'_o4 ist (^R'_O3 ^ ^R'o4*' das Verhältnis von R ₃ zu R . größer als eins ist

130062/0700

^Uo3
(ο— > 1,0) und der Absolutwert von R¹ , kleiner als der Ab-

^Ro4 °³

solutwert von R' , ist (|R¹ ,| < |R· ^|)_r und wobei R. und R'_<v üino örößu H... und R¹.., «in üinem ersten Ort in dum zweiten Kantenbereich und eine Größe R₁₄ und R' . an einem zweiten Ort in dem zweiten Kantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts dos ersten Ortes liegt, ao daß R¹^₃ ungleich R',₄ ist (R¹..* Φ &\λ)ι das Verhältnis R., zu R..

X^i X0 X <b X J X 4

kleiner als eins ist R.,, und der Absolutwert von

^Ri4
^Ri3 9^{rößer ala dör} Absolutwert von R'_i4 ist (|R'_i3| > I¹¹¹^Iv
5. Verdichtuigeabschnitt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flügelprofilabschnitt (38) jeder Laufschaufel (34, 36) einen Vorderkantenbereich (66) und einen Hinterkantenbereich (68) hat und daß der zweite Kantenbereich der Hinterkantenbereich (68) ist.
6. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Innenwand (28) um die Achse (A) des Triebwerks dreht.
7. Verdichtungsabschnitt für Arbeitsmediumgase einer Axialströmungsmaschine mit einer Triebwerksachse (A) und einem im Querschnitt ringförmigen Strömungsweg (22), mit einer Außenwand (26) , die den Strömungsweg (22) umgibt, mit einer Innenwand (28) , die mit Abstand von der Außenwand (26) angeordnet ist und den Strömungsweg (22) begrenzt, mit einem Kranz von Leitschaufeln (30, 32), die sich von der Außenwand nach Innen in die Nahe der Innenwand eratrekken und jeweils einen Flügelprofilabschnitt haben, der eine Spitze (54) aufweist, und

mit einem Kranz von Laufschaufeln (34, 36), die sich nach außen in die Nähe der Außenwand (26) erstrecken und jeweils einen Flügelprofilabschnitt (38) haben, der einen Vorder-

130062/0700

kantenbereich (66) , einen Hinterkantenbereich (68) und eine Spitze (46) hat,

dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (54) jedes Leitschaufelf lügelprof ilabschnittes zu der Achse (A) des Triebwerks parallel ist, daß die Spitze (46) jedes Leitschaufelflügelprof ilabschnittes zu der Achse (A) des Triebwerks parallel ist, daß die Außenwand in einem Abstand R von der Achse

OX

des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung R¹ „in be-

OX

zug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Außenwand schneidet, und daß die Innenwand in einem Abstand R. von der Achse des Triebwerks angeordnet ist und eine Steigung RV_x in bezug auf die Achse des Triebwerks hat, gemessen in einer Ebene, die die Achse des Triebwerks enthält und die Innenwand achneidet ,
wobei R und R'_v eine Größe R^₁ und KV₁ an einem eraten

OX OX Ol Ol

Ort in dem Vorderkantenbereich und eine Größe R- und R'₂ an einem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts von dem ersten Ort liegt, so daß R'_o1 ungleich R'_q2 ist (R'_o1 φ R'_q2), R'_o2 gleich null ist (R¹ „ - O) und das Verhältnis von R., zu R- größer als eins i Mt U

o1

02
R,

ort in dem Vorderkantenbereich und eine Größe R^₂ und R'

wobei R, und R'j_X eine Größu R und RVi an einem ernten

an einem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'^ ungleich R' , ist (R'^ Φ ^R'i2*' ^R'i1 9^{leicn nu}H ^ist (R' = O) und das Verhältnis R₁₁ zu R-₂ kleiner als eins ist ^Ri1
(■=— < 1,0) und der Absolutwert von R' kleiner als der

^Ri2 ^l1

Absolutwert von R'_i2 iüt (IR'jjI < 1«' _{Λ 2} | > ? wobei R und R¹ eine Größe R_q3 und K'_o3 an einem ersten Ort in dem flinte Κί*ηΐί'η1"ΐ»Π'Η·η und i-iriM i;trtßn R_()ij unU ti¹ ^ an einem zweiten Ort in dem Hinterkantenbereich haben, wobei

130062/0700

der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'_o3 ungleich R'_q4 ist (R'_o3 Φ ^R'_O4⁾' ^R'_O3 9^{leich nul1 ist} (R'_o3 = 0) und das Verhältnis R_q3 zu R_q4 größer als eins ist

(ö— > 1,0) und der Absolutwert von R¹ _o kleiner als der Ab-^Ro4 °³

solutwert von R'₄ ist (|r'₃|<|r'.|); wobei R. und R'_ix eine Größe R_>3 und R'-₃ an einem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich und eine Größe R., und R¹.. an einem zweiten Ort in dem Hinterkantenbereich haben, wobei der zweite Ort stromabwärts des ersten Ortes liegt, so daß R'_i3 ungleich R'_i4 ist (R'_i3 Φ ^Rli4^' ^R'i4 9^leicft null ist (R¹.. =0), das Verhältnis R-₃ zu R.. kleiner als eins ist

(■=— < 1,0) und der Absolutwert von R¹ ., größer als der Ab-R₁₄ x3

solutwert von R'_i4 ist (|R'_i3J > |R'_i4|); wobei R. und R¹ . eine Größe R.j- und R¹ . _ς an jedem Ort auf der Innenwand haben, der einer Spitze eines Flügelprofilteils in dem Kranz von Leitschaufeln zugewandt ist, und wobei R'jc gleich null ist (R'.₅ =0), so daß eine zylindrische Fläche den Spitzen des Leitschaufelkranzes zugewandt ist; wobei sich eine zylindrische Fläche an der Außenwand zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich, der R' ~ = 0 hat, und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich, der R' ₃ = 0 hat, erstreckt, so daß eine zylindrische Fläche den Spitzen des Laufschaufelkranzes zugeordnet ist, und wobei sich eine kegelstumpfförmige Fläche an der Innenwand zwischen dem zweiten Ort in dem Vorderkantenbereich, bei dem R¹.- ungleich null ist (R¹. ₂ φ 0), und dem ersten Ort in dem Hinterkantenbereich, bei dem R¹., ungleich null ist (R¹.: 3 Φ 0), erstreckt, so daß eine Strömungswegkontraktion an der Innenwand erfolgt.
8. Verdichtungsabschnitt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kranz von Leitschaufeln (30, 32) an

130062/0700

einem Ort stromaufwärts des Kranzes von Laufschaufeln (34, 36) erstreckt, so daß R-₅ kleiner als R-₂ ist (R45 < ^R-o) und R. c kleiner oder gleich R.- ist (R.,- SR ).
9. Verfahren zum Verschieben der aerodynamischen Belastung an jedem Flügelprofilabschnitt eines Kranzes von rotierenden Flügelprofilabschnitten in einem Verdichtungsabschnitt einer Axialströmungsmaschine, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Konturieren der äußeren Stromungswegbegrenzung, damit die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich nahe der äußeren Strömungswegbegrenzung einer Krümmung in der radialen Richtung folgen, die ein erstes mathematisches Vorzeichen hat, und

Konturieren der inneren Stromungswegbegrenzung, damit die Stromlinien des Strömungsweges in dem Kantenbereich in der Nähe der inneren Stromungswegbegrenzung einer Krümmung in der radialen Richtung folgen, die ein mathematisches Vorzeichen hat, welches dasselbe Vorzeichen wie das erste mathematische Vorzeichen ist.

130Q82/0700