DE3336066A1

DE3336066A1 - Rotor- oder statorschaufel fuer einen axialstroemungskompressor

Info

Publication number: DE3336066A1
Application number: DE3336066A
Authority: DE
Inventors: Christopher Farnsfield Nottinghamshire Freemann
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-10-13
Filing date: 1983-10-04
Publication date: 1984-04-19
Also published as: GB2128687B; DE3336066C2; US4671738A; GB2128687A; FR2534641B1; FR2534641A1; JPS5999096A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotor- oder Statorschaufel für einen Axialströmungskompressor, der beispielsweise als Kompressor eines Gasturbinentriebwerks Anwendung finden kann.

Es ist natürlich erwünscht, daß diese Kompressoren mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad laufen und in der Lage sind, in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu arbeiten, ohne daß ein Pumpen oder ein Abreißen der Strömung auftritt. Einer der Faktoren, der den Wirkungsgrad dieser Kompressoren in schädlicher Weise beeinträchtigt, ist das Vorhandensein der sogenannten Sekundärströmungen. Diese Strömungen folgen nicht dem normalen, für sie ausgelegten Pfad über den Kompressor, sondern bewegen sich stattdessen radial an den Schaufeln nach oben oder unten, oder sie verlaufen in Umfangsrichtung längs der inneren oder äußeren Wand des Kompressorströmungskanals.

Die Wirkung dieser Strömungen besteht darin, eine Grenzschicht an verschiedenen Stellen aufzubauen und dieser Aufbau verringert, wie sich gezeigt hat, die Pumpgrenze des Kompressors. Dies ist natürlich unerwünscht.

Wenn diese Sekundärströmungen bestehen, dann müssen radiale Druckgradienten längs der Schaufeln existieren, und diese radialen Druckgradienten werden durch das Zusammenwirken zwischen dem Stromlinienprofil des Schaufelblattes und der Grenzschicht an der äußeren und inneren Wand des Strömungskanals des Kompressors erzeugt. Es wurde gefunden, daß dadurch, daß man das Stromlinienprofil der Schaufeln so ausbildet, daß diese Grenzschich·

ten in Betracht gezogen werden, die Möglichkeit besteht, die Erzeugung von radialen Druckgradienten zu vermindern oder zu vermeiden, so daß die Sekundärströmungen und ihre unerwünschten Wirkungen vermindert oder vermieden werden können.

Demgemäß umfaßt nach der Erfindung eine Rotor- oder eine Statorschaufel für einen Axialströmungskompressor ein stromlinienförmiges Schaufelprofil, das an wenigstens einem Endabschnitt hinsichtlich des Stromlinienquerschnitts so verändert ist, daß eine konstante Arbeit pro Längeneinheit über wenigstens den größeren Teil der Grenzschicht zustande kommt, in die die Schaufel im Betrieb eintaucht.

Dies bedeutet, daß jeder Endabschnitt auch konstante Auftriebskräfte pro Längeneinheit über die Tiefe der Grenzschicht erzeugt, und daß die Wirbel, die pro Längeneinheit des Schaufelprofils in diesem Bereich erzeugt werden, sich umgekehrt zur Axialgeschwindigkeit des Strömungsmittels ändern.

Vorzugsweise sind die Schaufelblattabschnitte, die zusammen das Schaufelblatt aufbauen, um den Mittelpunkt ihres Auftriebs gestaffelt und nicht um ihren Flächenschwerpunkt, wie dies an sich üblich ist.

Um den größtmöglichen Nutzen der Erfindung zu gewährleisten, ist das innere und das äußere Ende der Schaufel gemäß der Erfindung ausgebildet.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung

zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Axial Strömungskompressors ;

Fig. 2 ein Dreieckvektor-Diagramm für die

Stationen 2-2 und 3-3 der Rotorschaufel des Kompressors nach Fig. 1, wobei die vollausgezogenen Linien die Werte an der Stelle 2-2 im freien Strom repräsentieren, und die strichlierten Linien die Werte an der Stelle 3-3 in der Grenzschicht bei einer Schaufel gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen typischen Axialströmungskompressor mit einem äußeren Gehäuse 10, das die äußere Begrenzung des Ringkanals bildet, dessen innere Begrenzung durch eine innere Rotortrommel 11 definiert wird. Die Beschaufelung des Kompressors umfaßt eine Reihe von Einlaßleitschaufeln GV,der vier Reihen von Statorschaufeln S1 bis S4 folgen. All diese Statorschaufeln werden vom äußeren festen Gehäuse 10 getragen .

Die Rotorschaufeln umfassen vier Reihen von Schaufeln R1 bis R4, die von der Rotortrommel 11 getragen werden und mit den Statorschaufeln derart abwechseln, daß die Rotorstufe R1 zwischen den Leitschaufelstufen GV und S1 liegt und so weiter.

Die Gesamtarbeitsweise des Kompressors ist die übliche und braucht deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu

werden. Es muß jedoch festgestellt werden, daß die verschiedenen Gasberührungsoberflächen des Kompressors Grenzschichten aufweisen, die an diesen ! Oberflächen anhaften und zwar insbesondere an den Gasberührungsoberflächen von Gehäuse 11 und Trommel 12. Wenn irgend ein radialer Druckgradient durch das Zusammenwirken!zwischen der Beschaufelung und der Grenzschicht auftritt, dann sucht die Grenzschicht auszuwandern und bildet Bereiche größerer Dicke. In diesen Bereichen besteht eine noch größere Wahrscheinlichkeit einer; Trennung der Strömung, und demgemäß wird die Gefahr eines Pumpens oder einer anderen Un-J Stabilität des Kompressors erhöht. Es ist daher erwünscht, die Asymmetrie in der Grenzschicht zu vermeiden, die durch das Wandern der Schicht erzeugt wird, die als "Sekundärströmung" bezeichnet wird.

Die Sekundärströmungen in der Grenzschicht können nur durch radiale Druckdifferenzen erregt werden,und wenn diese Druckdifferenzen vermindert oder vermieden werden, dann werden auch die Sekundärströmungen vermindert oder vermieden, und die Grenzschichten an den Wänden des Ringkanals verbleiben symmetrisch oder im wesentlichen symmetrisch.

Gemäß der Erfindung sind die Schaufelblätter der Beschaufelung derart ausgebildet, daß dieser radiale Druckausgleich erfolgt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Auftrieb, der durch jeden Abschnitt des Stromlinienprofils erzeugt wird, gleich ist, wenn keine radialen Druckdifferenzen bestehen, da der Auftrieb eine Summierung der Druckdifferenzen über den Abschnitt

darstellt und das Fehlen von radialen Druckgradienten gewährleisten, daß die Elemente dieser Summierung konstant verbleiben. Der Auftrieb über einem Schnittelement kann definiert werden als/\ F^ = m A. Vw ...(I), wobei m die Masse der Gasströmung über dies Element darstellt, und Δ Vw die Änderung der Wirbelgeschwindigkeit des Gases, das über dieses Element abströmt.

Die Massenströmung m ist proportional zur Axialgeschwindig

keit Va der Strömung, und demgemäß wird m = KVa (II),

wobei K eine Konstante ist.

Wenn man in (1) ersetzt, ergibt sich k F₁- = KVa A. Vw ... (IV)

DaA. F-J. für alle Elemente des Stromlinienprofils gleich sein soll, kann man feststellen, daß für jeweils zwei Elemente, die mit den Indizes 1 und 2 bezeichnet sind:

Va1 ί\ Vw1 = Va2 A Vw2 ... (V) oder Va1/Va2 = £> Vw2/& VwI ... (VI)

In Worten ausgedrückt heißt dies, daß die Änderung der Wirbel, die durch jeden Abschnitt der Schaufel erzeugt wird, umgekehrt proportional der Axialgeschwindigkeit sein muß. Diese Axialgeschwindigkeit wird sich natürlich über die Schaufelhöhe ändern, und zwar in erster Linie wegen der Grenzschicht.

Diese einfache Beziehung ermöglicht es, zusammen mit der

herkömmlichen Behandlung der Strömungen bei einem Axialströmungskompressor, daß die Parameter des Stromlinienprofils aufeinanderfolgend über den Kompressor bestimmt werden. Wenn man die Einlaßleitschaufeln und die erste Rotorstufe betrachtet, wie bei dem gewählten Beispiel, und wenn man auf die Vektor-Dreiecke gemäß Fig. 2 Bezug nimmt, dann wird die normale Wirbelgeschwindigkeit am Leitschaufelauslaß (d.h. an der Stelle 3-3) definiert als Vwpgv (das Vorhandensein von ρ zeigt an, daß dies ein freier Strömungsparameter ist). Der Wert des Wirbels Vwgv am Ausgang der Leitschaufeln an der Stelle 2-2 in dem von der Grenzschicht beeinflußten Bereich kann aus der obigen Gleichung (VI ) berechnet werden.

Demgemäß ergibt sich aus (VI ) ^ Vwgv = Vap .... (VII )

(\ Vwpgv Vap

Unter der Annahme, daß der Einlaßwirbel der Leitschaufeln Null ist, kann man Vw durch Vw in beiden Fällen ersetzen, und dadurch erhält man

Vwov = Vwpov Vap (VIII )

Va

Da das Axialgeschwindigkeitsprofi1 der Grenzschicht theoretisch oder empirisch bekannt ist, kann der Wert von Vwgv für jedes Element des Stromlinienprofils berechnet werden, und demgemäß kann die Änderung des Wölbungswinkels der Leitschaufel bestimmt werden. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß Va kleiner ist als Vap und dies setzt eine Erhöhung von Vwgv voraus.

Für den Einlaß der Rotorschaufeln kann die relative Einlaßwirbelgeschwindigkeit Vw. , auf U, die Schaufelgeschwindigkeit und Vwgv bezogen werden, und die Wirbelung am Auslaß der Leitschaufeln wird wie folgt:

Vw_1rel = U - Vwgv (IX) (vgl,· Fig. 2)

Dann kann aus Gleichung (VIII) eingesetzt werden:

Vwirel = U - Wwpgv V^p_ .. .· (X)

Va

Dies ermöglicht eine Berechnung der Änderung der Einlaßwinkel der Rotorschaufel.

Für die Rotorauslaßbedingungen kann aus Gleichung (VII) festgestellt werden, daß

{\ Vwrel = Zy Vwprel χ V^a_p_ (XI)

Va

oder Vwirel - Vw2rel = & Vwprel χ Vap (XII)

' Va '

Demgemäß ergibt sich aus (X)

Vw2rel = U-Vwpgv Va£ - /\Vwprel Va^ (XIII)

.Va Va

und die Veränderung irn Auslaßwinkel ist definiert. Der Einlaßwirbel des folgenden Stators ist einfach

COPfJ

Vw3st = U-Vw2rel = Vwpgv _Va_p_ + Λ. Vwprel_Va_p (XIV)

·; Va . Va j

und der Auslaßwinkel von dieser Statorstufe ist

Vw4st = Vw3st - A Vwst (XV)

I I

und aus (VII) ergibt sich: Λ Vwst = ^ Vwpst V^£ (XVI)

Va

und demgemäß wird Vw4st = Vwst -Λ Vwpst Vap

I Va I

=,Vwpov Vap + Λ Vwprel Vap-A,Vwpst Va; Va Va Va

(XVII)

Normalerweise wird der Wirbel, der durch den Rotor eingeführt wird, durch den Stator entfernt und

A Vwpst = Δ Vwprel (XVIII)

Dies schafft die Möglichkeit, daß.die Gleichung (XVII) den Wert erhält:

Vw4st = Vwpgv Va£ (XIX)

Va

Es zeigt sich, daß dies das Gleiche ist als wenn der Wirbel durch die Einlaßleitschaufel eingeführt würde. (Vgl. (VIII)). Es ist klar, daß die Bedingungen in der zweiten Rotorstufe sich wiederholen, aber daß durch die

COPV

Einlaßleitschaufeln eine Gesamtdrehung aufgeprägt wird .

Auf diese Weise können die Veränderungen von Einlaß- und Auslaßwinkeln jeder Rotor- und Statorstufe bestimmt werden. Für jeden speziellen Stromlinienschnitt ermöglicht dies eine Spezifizierung der Gestalt und es ist klar, daß die anderen Parameter der Stromlinienabschnitte, beispielsweise die Staffelung und die Ablenkung hieraus berechnet werden können.

Bei einem repräsentativen Kompressor bewirken die geometrischen Änderungen, die auf diese Weise eingeführt werden, eine Erhöhung der Wölbung sowohl der Rotor- als auch der Statorschaufeln, aber eine geringe Verminderung der Staffelung am Rotor und ein starkes Ansteigen der Staffelung am Stator. Der Grund für diese scheinbar anormalen Ergebnisse liegt darin, daß die Leitschaufelgrenzschicht die Wirbelung verstärkt, wodurch die relative Rotoreinlaßwirbelung vermindert wird und ein niedrigerer Rotorauslaßwinkel geschaffen wird. Jedoch erscheint der Einlaßleitschaufel-Einlaßwirbel, der nach dem Rotor auftritt, (vgl. (XIX)) am Stator als Ansteigen der Wirbelung und demgemäß steigt der Auslaßwinkel bei einer gegebenen Änderung der Verwirbelung über den Stator an. Demgemäß ist die Grenzschichtreaktion identisch zu dem Hauptstrom, da der statische Druckanstieg der gleiche ist wie bei dem Rotor, jedoch um dies zu erreichen, Rotor- und Statorgeometrie unterschiedlich ist.

Die so ausgebildete Geometrie ist nicht anwendbar für die innersten Bereiche der Grenzschicht, weil die Veränderungen der anderen Geschwindigkeiten nach unendlich zu gehen trachten, wenn Va auf Null zu gehen sucht. Es ist natürlich notwendig, die präzise Anwendung der Theorie zu suspendieren, wenn die Enden der stromlinienförmigen Abschnitte erreicht werden, und es wurde gefunden, daß die Veränderung der Wölbung und der Staffelung im Grenzschichtbereich etwa linear verläuft,und daß diese Linearität vorteilhafterweise bis in die äußersten Bereiche fortgesetzt werden kann.

Eine Konsequenz der Benutzung dieser Theorie zur Ausbildung einer Schaufel besteht darin, daß beträchtliche radiale Vorsprünge im Stromlinienprofil durch die relativ großen Änderungen in der Wölbung und der Staffelung erzeugt werden. Dies könnte zu schädlichen radialen Strömungen führen, und um diese Wirkung zu vermindern, kann es vorteilhaft sein, diese Abschnitte des Stromlinienprofils um ihre Auftriebsmittelpunkte statt um ihre Flächenschwerpunkte zu staffeln, wie dies die übliche Praxis darstellt.

Die Grenzschichtbedingungen, mit denen sich die Erfindung befaßt, sind anwendbar sowohl auf den Schaufelfußbereich als auch auf den Schaufel Spitzenbereich von Rotor- und Statorschaufel. Es ist möglich die Erfindung für die Schaufelfuß- und/oder Schaufelspitzenbedingungen anzuwenden, wenn dies erforderlich ist, obgleich es natürlich zweckmäßig ist, die Erfindung sowohl auf den Schaufelfuß als auch auf die Schaufelspitze anzuwenden. Es ist außerdem klar, daß es nicht notwendig ist, die

Erfindung auf allen Stufen eines Kompressors anzuwenden, und daß der größte Nutzen wahrscheinlich in den höheren Druckstufen erreicht werden kann, wo die Dicke der Grenzschicht einen größeren Anteil der Schaufelhöhe ausmacht.

Versuche haben gezeigt, daß mit Hilfe der Erfindung Axialströmungskompressoren erzeugt werden können, die einen beträchtlich verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich mit dem Stande der Technik zeigen. In speziellen Fällen wurde der Wirkungsgrad von 88,5% auf 90% erhöht.

Claims

Patentanwälte Dipi.-Ing. Cu rt Wallach

-üb*". '» Dipl.-Ing. Günther Koch

Europaische Patentvertreter ¹^ ^ö

_o . . _A„ Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

European Patent Attorneys ^ ^J

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: ⁴· Oktober 1983

Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: 17 777 - K/Ap

Buckingham Gate
London SW1E 6AT
England

Rotor- oder Statorschaufel für einen Axialströmungskompressor

Patentansprüche:

Rotor- oder Statorschaufel für einen Axial Strömungskompressor mit einem stromlinienförmigen Schaufelblatt,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens" ein Endabschnitt des Schaufelblattes hinsichtlich des stromlinienförmigen Querschnitts sich derart ändert, daß eine konstante Arbeit pro Längeneinheit des Schaufelblattes wenigstens über den größeren Teil der Grenzschicht erhalten wird, in die das Schaufelblatt im Betrieb eintaucht. .

Rotor- oder Statorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromlinienförmigen Schaufelblattabschnitte, die das Schaufelblatt bilden, um ihre Auftriebsmittelpunkte gestaffelt sind .

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