DE3503421C2 - Axialverdichter für eine Turbomaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter für eine Turbo­ maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Axialverdichter ist aus der US-PS 42 38 170 bekannt.

Als ein Ergebnis der steigenden Brennstoffpreise wäh­ rend der 70er-Jahre haben Flugzeugtriebwerksbauer da­ nach getrachtet, den Wirkungsgrad ihres Produkts zu verbessern. Ein Bereich des Gasturbinentriebwerks, der untersucht worden ist, ist der Verdichter. Grundsätz­ lich besteht der Verdichter aus einer Anzahl von be­ schaufelten Verdichterscheiben, die sich mit hoher Drehzahl drehen und den Druck eines durch den Verdich­ ter hindurchgehenden Luftstroms erhöhen. Die Hoch­ druckluft, die den Verdichter verläßt, wird mit Brenn­ stoff vermischt und in einer Brennkammer verbrannt. Die Abgase werden dann in einem Turbinenrad entspannt, wo dem Abgasstrom Arbeit entnommen wird.

Die Luftströmung durch den Verdichter kann in zwei brei­ te Gebiete unterteilt werden, nämlich in das Endwand­ strömungsgebiet in der Nähe sowohl des Gehäuses als auch der Nabe, wo viskose Grenzschichteffekte und Laufschau­ fel/Leitschaufel-Spitzeneffekte dominieren, und in das Mittenströmungsgebiet in dem zentralen Teil des Verdich­ ters, wo die vorgenannten Effekte klein oder venachläs­ sigbar sind. Ungefähr 50% sämtlicher Verdichterverluste treten in dem Endwandgebiet auf.

Ein Zustand, der zu diesen Verlusten beiträgt und da­ durch den Verdichterwirkungsgrad verringert, wird durch den Spalt verursacht, der normalerweise zwischen dem Ende oder der Spitze einer Verdichterlaufschaufel und dem umgebenden Ge­ häuse in dem Endwandgebiet vorhanden ist. Luft, die durch die umlaufende Laufschaufel verdichtet wird, hat die Tendenz, über der Laufschaufelspitze durch diesen Spalt zurückzuströmen oder zu lecken, was einen Spitzen­ spaltwirbel ergibt. Dieser Wirbel tritt mit der Gehäuse­ wandgrenzschicht in Wechselwirkung und erzeugt Spitzen­ verluste.

Die typische Lösung zum Kontrollieren dieser Leckage be­ steht darin, den Spalt zwischen der Laufschaufelspitze und dem umgebenden Gehäuse zu minimieren. Sowohl das Verdichtergehäuse als auch die Verdichterlaufschaufel wachsen jedoch während des Triebwerksbetriebes radial. Um einen Kontakt zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse zu vermeiden, muß ein ausreichender Spalt wäh­ rend des normalen Triebwerksbetriebes gelassen werden, um unterschiedliches Wachstum während transienter Be­ triebsbedingungen zu gestatten. Eine andere Lösung be­ steht darin, Reibberührungen zuzulassen und dafür ent­ weder einen abschleifbaren Streifen in dem Gehäuse oder eine abschleifbare Spitze an der Laufschaufel vorzu­ sehen, um so einen gewissen Grad an kontrollierter Reibberührung zu gestatten.

Gemäß der eingangs genannten US-PS 42 38 170 besteht eine weitere Technik zum Verringern der Leckage an den Laufschaufelspitzen darin, eine Vertiefung in der Wand des Gehäuses zu bilden und die Laufschaufel bis nahezu in eine Linie mit der ursprünglichen Gehäu­ sewand zu verlängern. Diese Vertiefungen können die Laufschaufelspitze während einigen oder allen Trieb­ werksbetriebsperioden aufnehmen. Das Übergangsgebiet von dem Verdichtergehäuse zu der Vertiefung zeichnet sich typisch durch eine abrupte Änderung von der glatten Gehäusewand aus. Diese Gebiete abrupten Überganges finden sich sowohl an dem stromaufwärtigen als auch an dem strom­ abwärtigen Ende der Vertiefung. Es sind beispielsweise Grä­ ben mit rechteckigem Querschnitt bekannt, bei denen die Übergangsgebiete durch rechte Winkel gebildet wer­ den. Testergebnisse zeigen, daß solche Gräben besten­ falls eine unbedeutende Verbesserung des Wirkungsgrades ergeben und unter gewissen Bedingungen die Leistungs­ fähigkeit tatsächlich verschlechtern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Axialverdichter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Strömungsverluste an den Laufschaufelspitzen verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und die durch sie erzielbaren Vorteile werden nun anhand der Beschreibung und Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Teils eines Verdich­ ters eines Gasturbinentriebwerks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine ausführlichere Ansicht einer Ver­ dichterlaufschaufel, einer Leitschaufel und eines benachbarten Gehäuses gemäß der Darstellung in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine Ansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 1 und

Fig. 5 eine ausführlichere Ansicht einer Ver­ dichterleitschaufel, einer Laufschaufel und einer benachbarten inneren Wand ge­ mäß der Darstellung in Fig. 1.

Die Erfindung kann in dem Axialverdichter einer Turbo­ maschine benutzt werden. Zu Erläuterungszwecken wird die Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk beschrieben.

Ein Teil eines Verdichterabschnitts 10 eines Gasturbinen­ triebwerks, der einen Rotorkranz 12 und einen Stator­ kranz 14 hat, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Rotorkranz 12 hat mehrere Laufschaufeln 18, die um die Triebwerksmit­ tellinie 16 drehbar sind. Der Statorkranz 14 hat mehrere Leitschaufeln 19, die in bezug auf die Mittellinie 16 feststehen. Eine Strömungsbahn 20 für die Bewegung von Luft erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt. Der Strömungsweg ist durch ein äußeres Gehäuse 22 mit einer radial nach innen weisenden Oberfläche 24 und durch eine innere Wand 26 mit einer radial nach außen weisenden Oberfläche 28 begrenzt. Jede Laufschaufel 18 hat ein ra­ dial äußeres Ende oder eine Laufschaufelspitze 80. Das äußere Gehäuse 22 umschließt jeden Rotorkranz 12 in Umfangs­ richtung. Ein Spalt 50 muß zwischen der umlaufenden Lauf­ schaufelspitze 80 und dem feststehenden äußeren Gehäuse 22 aufrechterhalten werden, um eine Reibberührung zwi­ schen denselben zu verhindern.

Jede Laufschaufel 18 ist in bezug auf die radial ange­ ordnete Oberfläche 24 relativ drehbar, ebenso wie die Leitschaufel 19 in bezug auf die radial angeordnete Oberfläche 28 relativ drehbar ist. Weiter steht die Leit­ schaufel 19 in bezug auf die Oberfläche 24 fest, und die Laufschaufel 18 steht in bezug auf die Oberfläche 28 fest.

Wenn sich die Laufschaufeln 18 um die Mittellinie 16 drehen, wird Luft in die Strömungsbahn 20 in Richtung insgesamt nach hinten bzw. stromaufwärts bewegt. Gleichzeitig wird die Luft verdichtet, wenn sie jeden Rotorkranz 12 passiert, wodurch ihr Druck erhöht wird. Infolgedessen ergibt sich ein Gebiet 32 höheren Druckes hinter dem Rotorkranz 12 relativ zu einem Gebiet 34 niedrigeren Druckes vor dem Rotorkranz 12. Gemäß der Darstellung in Fig. 3 hat je­ de Laufschaufel 18, die sich in der durch einen Pfeil 52 angegebenen Richtung dreht, eine druckseitige Ober­ fläche 54 und eine saugseitige Oberfläche 56. Der Druck an der Oberfläche 54 ist höher als der an der Oberfläche 56. Die Tendenz der Luft höheren Druckes, sich durch den in Fig. 2 gezeigten Spalt 50 hindurch in das Gebiet nie­ drigeren Druckes zu bewegen, was in Fig. 3 durch einen Pfeil 58 angedeutet ist, trägt zu den Verlusten in Form eines Spitzenspaltwirbels bei, der nahe dem radial äußeren Ende der Spitze 80 der Laufschaufel 18 gebildet wird.

Zu dem Verlustproblem trägt die Tatsache bei, daß die Grenzschichtluft nahe der radial nach innen weisenden Oberfläche 24 sich insgesamt in Richtung nach hinten bzw. stromabwärts bewegt und mit der Luft in Wechselwirkung tritt, die bestrebt ist, durch den Spitzenspalt 50 nach vorn bzw. stromaufwärts zu strömen. Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die Vorwärtsbewegung der Spitzenspaltströmung blockiert, ohne den Durchgang der sich nach hinten bewegenden Hauptströmung zu behindern.

Fig. 2 zeigt eine Laufschaufel 18, eine Leitschaufel 19 und ein äußeres Gehäuse 22 in einer Ausführungsform der Erfindung. In dem äußeren Gehäuse 22 ist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Vertiefung 72 relativ zu der Laufschaufel 18 und der Leitschaufel 19 radial an­ geordnet. Die Vertiefung 72 hat eine insgesamt nach hin­ ten (stromabwärts) weisende Wand 74, eine insgesamt nach vorn (stromaufwärts) weisende Wand 76 und eine insgesamt axial gerichtete Wand 78. In der gezeigten Ausführungsform ist die insgesamt nach hin­ ten weisende Wand 74 zu der nach innen weisenden, radialen Ober­ fläche 24 im wesentlichen senkrecht. Die nach vorn weisen­ de Wand 76 bildet einen spitzen Winkel α mit der Ober­ fläche 24. Eine axial gerichtete Wand 78 schneidet die Wand 74 in einem Punkt 82 vorderhalb der Laufschaufel 18 und die Wand 76 in einem Punkt 84 hinter der Lauf­ schaufel 18.

Die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration dient dem Zweck, einen abrupten Wechsel von der Gehäuseoberfläche 24 zu der Wand 74 an deren Schnittstelle 86 und keinen abrupten, sondern einen relativ glatten Übergang von der Wand 76 zu der Gehäuseoberfläche 24 an der Schnittstelle 88 zu erzeugen. Es wird angenommen, daß der abrupte Übergang an der Schnittstelle 86 eine gute Ablösung der nach hin­ ten strömenden Grenzschichtluft von der Oberfläche 24 bewirkt und gleichzeitig eine Barriere bzw. einen Damm in Form der Wand 74 zum Minimieren der Vorwärtsströmung aus dem Spitzen­ spaltwirbel schafft. Es wird weiter angenommen, daß der nichtabrupte Übergang von der Wand 76 auf die Oberfläche 24 an der Schnittstelle 88 einen aerodynamisch glatten Übergang oder eine aerodynamisch glatte Strömung von Luft, die aus der Vertiefung 72 in die Strömungsbahn 20 strömt, gestattet.

Verschiedene Konfigurationen der Vertiefung 72 sind mög­ lich, um diese Bedingungen zu erfüllen. Beispielshalber kann die Wand 76 verschiedene relativ glatte Kurven bil­ den, die einen nichtabrupten Übergang in die Oberfläche 24 an der Schnittstelle 88 bilden. In der in Fig. 2 ge­ zeigten Ausführungsform bildet die Wand 76 eine Kurve, die im wesentlichen eine gerade Linie ist, welche einen Schnittwinkel α mit der Gehäuseoberfläche 24 bildet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Winkel α ins­ gesamt kleiner als oder gleich 10° sein. Dieser Winkel wird jedoch von der Tiefe der Vertiefung 72, von dem axialen Abstand zwischen den Endpunkten 84 und 88 der Wand 76 und von der geometrischen Konfiguration der Wand 76 abhängen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Laufschau­ felspitze 80 der Wand 78 geometrisch angepaßt. Daher bildet die Spitze 80 eine gerade Linie, die zu der Wand 78 im wesentlichen parallel ist. Demgemäß hat jeder Punkt an der Spitze 80 im wesentlichen denselben radia­ len Abstand von der Wand 78. Herkömmliche Laufschaufel­ spitzen können vorteilhaft verwendet werden, wodurch das Ausmaß an maschineller Bearbeitung reduziert wird, das sonst erforderlich wäre, um der Spitze 80 ihren Umriß zu geben. Weiter gestattet dies, daß ein konstanter Spitzen­ spalt aufrechterhalten wird, wenn die Laufschaufel 18 axiale Auslenkungen erfährt.

Die radiale und die axiale Lage der Laufschaufelspitze 80 in bezug auf die Vertiefung 72 werden sich während des Triebwerksbetriebes verändern, wenn die Laufschaufel 18 ausgelenkt wird, sich aufgrund der Fliehkraft elastisch verformt oder thermisch anders wächst als das Gehäuse 22. Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Laufschaufelspitze 80 während des stationären Be­ triebes relativ zu der Vertiefung 72 angeordnet ist. Die kritischen Abmessungen bei diesem Betriebszustand sind der axiale Abstand 49 zwischen der Laufschaufel 18 und der Wand 74 sowie der radiale Abstand oder der Spit­ zenspalt 50 zwischen der Spitze 80 und der Wand 78. Der Abstand 49 wird von mehreren Faktoren abhängig sein, zu denen der Laufschaufelwerkstoff und die Geometrie gehö­ ren. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Ab­ stand 49 in der Größenordnung von 10% des Laufschaufel­ umfangsabstands. Der Abstand 50 ist ebenfalls eine Funktion des Laufschaufelwerkstoffes und der Geometrie. Allgemein wird dieser Abstand so festgelegt, daß er unterschiedliches Wachstum während Perioden transien­ ten Triebwerksbetriebes gestattet. Gemäß einer bevor­ zugten Ausführungsform wird dieser Abstand ungefähr 0,10% des Durchmessers des Rotorkranzes 12 betragen.

Die Abstände 49 und 50 können je nach dem besonderen Verwendungszweck im Rahmen der Erfindung verändert wer­ den. Weiter kann im Rahmen der Erfindung eine ab­ schleifbare Auskleidung für die Wände 74 und 78 der Vertiefung 72 und/oder eine abschleifbare Spitze an der Laufschaufel 18 benutzt werden. In jedem dieser Fälle können die Abstände 50 und/oder 49 auf bekannte Weise verändert werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine Vertiefung 90 in der radial nach außen weisenden Oberfläche 28 der inneren Wand 26 angeordnet und relativ zu dem Statorkranz 14 und dem Rotorkranz 12 radial versetzt. Wie die Gehäusevertiefung 72 wird die Vertiefung 90 durch drei Wände 92, 94 und 96 begrenzt. Die Wand 92 weist insgesamt nach hinten (stromabwärts) und bildet einen abrupten Wechsel von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle 98. Die Wand 96 weist insgesamt nach vorn (stromaufwärts) und bildet einen relativ unabrupten Wechsel von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle 100. Die insgesamt axial gerich­ tete Wand 94 schneidet die Wand 92 in dem Punkt 102 stromaufwärts des Statorkranzes 14 und die Wand 96 in ei­ nem Punkt 104 stromaufwärts von dem Statorkranz 14.

Der Statorkranz 14 bewegt sich zwar nicht, seine Be­ ziehung zu der inneren Wand 26 gleicht aber der Be­ ziehung zwischen dem Rotorkranz 12 und dem äußeren Gehäuse 22. Jeder hat einen Kranz von Schaufeln, die in bezug auf eine radial angeordnete Oberfläche re­ lativ drehbar sind. Weiter erfährt die Luft, die durch jeden Kranz hindurch nach hinten geht, einen Druckan­ stieg. Infolgedessen ist die Luft bestrebt, sich über die Schaufelspitze hinweg aus einem Gebiet höheren Druckes nach vorn in ein Gebiet niedrigeren Druckes zu bewegen. Fig. 4 zeigt diese Luftbewegung durch ei­ nen Pfeil 70.

Die alternativen Ausführungsformen für die Konfigu­ rationen der Vertiefung 72, die oben beschrieben sind, gelten gleichermaßen für die Vertiefung 90. Verdichter können mit Vertiefungen 72 nur in dem äußeren Gehäuse 22, mit Vertiefungen 90 nur in der inneren Wand 26 oder mit Vertiefungen in beiden Gehäusewänden 22, 26 mit entweder denselben oder unterschiedlichen Konfigura­ tionen versehen werden.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Im Prinzip kann jede geometrische Konfiguration einer nach hinten weisenden Wand, die die Vorwärtsströmung aus dem Spitzenspaltwirbel blockiert und eine gute Ablösung der Grenzschichtluft gestattet, sowie jede geo­ metrische Konfiguration einer nach vorn weisenden Wand oder von nach vorn weisenden Wänden verwendet werden, die einen glatten Übergang in die Strömungsbahn 20 ergeben.

Der Verdichterabschnitt 10, der in Fig. 1 gezeigt ist, soll die Beziehung zwischen einer relativ drehba­ ren Schaufel, einer relativ festen Schaufel, einer ra­ dial angeordneten Oberfläche und der Vertiefung in dieser Oberfläche veranschaulichen. Die Strömungsbahn 20 und die Strömungsbahnoberflächen des äußeren Gehäu­ ses und der inneren Wand sind auf die Triebwerksmit­ tellinie 16 axial ausgerichtet. In vielen Fällen kön­ nen diese Oberflächen und Strömungswege jedoch in be­ zug auf die Triebwerksmittellinie geneigt sein. Die hier verwendeten Begriffe "axial" und "axial gerich­ tet" definieren daher eine Richtung, die zu der Trieb­ werksmittellinie, der Strömungsbahn oder einer Strömungs­ bahnoberfläche im wesentlichen parallel ist.

Claims (3)

1. Axialverdichter für eine Turbomaschine mit einem Kranz erster Schaufeln, die relativ zu einer radialen Oberfläche drehbar sind, und einem Kranz zweiter Schaufeln, die stromabwärts von den ersten Schaufeln angeordnet und in bezug auf die radiale Oberfläche stationär sind, und mit einer sich in der radialen Oberfläche in Umfangsrichtung erstreckenden Vertiefung, die in bezug auf die ersten und zweiten Schaufeln radial angeordnet ist und einen Spalt zwischen den ersten Schaufeln und der radialen Oberfläche bildet, wobei die Vertiefung eine stromaufwärts gerichtete Wand und eine axial gerichtete Wand und eine stromabwärts gerichtete Wand aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu der radialen Oberfläche verläuft zur Bildung einer Barriere für eine stromabwärts gerichtete Strömung in dem Spalt, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichtete Wand (76; 96) der Vertiefung (72; 90) schräg angeordnet ist zur Bildung eines aerodynamisch glatten Übergangs von der Vertiefung (72; 90) in die Strömungsbahn.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromaufwärts gerichtete Wand (76; 96) der Vertiefung (72; 90) einen Winkel (α) von weniger als 10° in bezug auf die radiale Oberfläche (24; 28) bildet.

3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axial gerichtete Wand (78; 94) der Vertiefung (72; 90) deren stromabwärts gerichtete Wand (74; 92) an einem Punkt (82; 102) stromaufwärts von den ersten Schaufeln (18) und die stromabwärts gerichtete Wand (76; 96) an einem Punkt (84; 104) stromabwärts von den ersten Schaufeln (18) schneidet.