DE3336066C2

DE3336066C2 -

Info

Publication number: DE3336066C2
Application number: DE3336066A
Authority: DE
Inventors: Christopher Farnsfield Nottinghamshire Gb Freemann
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1982-10-13
Filing date: 1983-10-04
Publication date: 1992-09-24
Also published as: JPS5999096A; GB2128687A; US4671738A; DE3336066A1; FR2534641B1; GB2128687B; FR2534641A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine profilierte Rotor- oder Statorschaufel für einen Axialkompressor mit in die an der inneren und der äußeren Wand des Strömungskanals befindliche Grenzschicht eintauchenden Endabschnitt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann ein radial verlaufender Druckgradient durch das Eintauchen der Schaufeln in die Grenzschicht bewirkt werden, was eine Sekundärströmung zur Folge hat, die nicht dem normalen Strömungsweg folgt, sondern sich statt dessen radial längs der Schaufeln nach außen oder innen verläuft. Die Sekundärströmung kann auch in Umfangsrichtung längs der inneren oder äußeren Wand des Strömungskanals verlaufen, und durch diese Sekundärströmungen wird in unerwünschter Weise die Pumpgrenze verringert und der Wirkungsgrad herabgesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Radialströmung der Grenzschicht und eine Ablösung der Strömung zu verhindern.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch diese Ausbildung werden die radialen Druckdifferenzen, die Ursache für die Radialströmung sind, vermindert oder vermieden, und die Grenzschichten an den Wänden des Strömungskanals verbleiben im wesentlichen symmetrisch.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Schaufelprofilabschnitte um ihren Auftriebsmittelpunkt gestaffelt, während üblicherweise die Staffelung um ihren Flächenschwerpunkt erfolgt.

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

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Teils eines Axialströmungskompressors,

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 3-3 im freien Strom repräsentieren, und die strichlierten Linien die Werte an der Stelle 2-2 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 10 und Trommel 11. Wenn irgendein radialer Drckgradient 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 Unstabilität 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 Austrieb, 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 gewährleistet, daß die Elemente dieser Summierung konstant verbleiben. Der Auftrieb über einem Schnittelement kann definiert werden als

ΔF_T=mΔVw (I),

wobei m die Masse der Gasströmung über dies Element darstellt, und ΔVw die Änderung der Wirbelgeschwindigkeit des Gases, das über dieses Element abströmt.

Die Massenströmung m ist proportional zur Axialgeschwindigkeit Va der Strömung, und demgemäß wird

m=KVa (II),

wobei K eine Konstante ist.

Wenn man in (I) ersetzt, ergibt sich

ΔF_T=KVa ΔVw (IV)

Da ΔF_T 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:

Va1ΔVw1=Va2ΔVw2 (V)

oder

Va1/Va2=ΔVw2/ΔVw1 (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 zusammen mit der herkömmlichen Behandlung der Strömungen bei einem Axialströmungskompressor die Parameter des Stromlinienprofils aufeinanderfolgend über den Kompressor zu bestimmen. 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 p 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)

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

Da das Axialgeschwindigkeitsprofil 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_1rel 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:

Dies ermöglicht eine Berechnung der Änderung der Einlaßwinkel der Rotorschaufel.

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

oder

Demgemäß ergibt sich aus (X)

und die Veränderung im Auslaßwinkel ist definiert.

Der Einlaßwirbel des folgenden Stators ist einfach

und der Auslaßwinkel von dieser Statorstufe ist

Vw4st=Vw3st-ΔVwst (XV)

und demgemäß wird

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

ΔVwpst=ΔVwprel (XVIII)

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

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 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 gegebenenen 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 Schaufelspitzenbereich 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

1. Profilierte Rotor- oder Statorschaufel für einen Axialkompressor mit in die an der inneren (11) und der äußeren Wand (10) des Strömungskanals befindliche Grenzschicht eintauchenden Endabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an diesen Endabschnitten der Rotor- und Statorschaufel deren Profil eine gegenüber herkömmlichen Schaufelprofilen vergrößerte Wölbung aufweist und daß bei der Rotorschaufel dort die Staffelung etwas verringert und bei der Statorschaufel die Staffelung stark vergrößert ist.

2. Profilierte Rotor- oder Statorschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelprofilabschnitte um ihren Auftriebsmittelpunkt gestaffelt sind.