DE3503423A1

DE3503423A1 - Verdichter fuer eine axialstroemungsmaschine

Info

Publication number: DE3503423A1
Application number: DE19853503423
Authority: DE
Inventors: David Charles Fairfield Ohio Wisler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-02-06
Filing date: 1985-02-01
Publication date: 1985-08-08
Anticipated expiration: 2005-02-02
Also published as: US4645417A; JPS60192899A; IT1183316B; DE3503423C2; GB2153918B; GB8502274D0; IT8519259A0; GB2153918A; FR2559217B1; JPH0635878B2; FR2559217A1

Description

9529.4-13DV-08441 General Electric Company

Verdichter für eine Axialströmungsmaschine

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf Mittel zum Verkleinern der Spitzenspaltverluste von Verdichterschaufeln.

Aufgrund der steigenden Brennstoffpreise während der 70-Jahre haben Konstrukteure von Plugzeugtriebwerken versucht, den Wirkungsgrad ihres Produktes zu verbessern. Ein Bereich des Gasturbinentriebwerkes, der untersucht worden ist, ist der Verdichter. Der Verdichter besteht aus einer Anzahl von mit Schaufeln versehenen Verdichterscheiben, die mit hoher Drehzahl umlaufen und den Druck einer durch den Verdichter strömenden Luftströmung erhöhen. Die aus dem Verdichter austretende Hochdruckluft wird mit Brennstoff gemischt und in einem Brenner verbrannt. Die Abgase werden dann durch ein Turbinenrad expandiert, wo der Strömung Arbeit entnommen wird.

Die Luftströmung durch den Verdichter kann in zwei große Bereiche geteilt werden - den Endwandströmungsbereich nahe sowohl dem Gehäuse als auch der Nabe, wo viskose Grenzschichteffekte und Schaufelspitzeneffekte dominieren, und den Mittelströmungsbereich im Mittelteil des Verdichters, wo die vorgenannten Effekte klein oder nachlässigbar sind. Rund 50 % des gesamten Verdichterverlustes tritt in dem Endwandbereich auf.

Eine Größe, die zu diesem Verlust beiträgt, wodurch der Wirkungsgrad des Verdichters gesenkt wird, wird durch den Spalt hervorgerufen, der normalerweise zwischen dem Ende einer Verdichterschaufel und dem umgebenden Gehäuse in dem Endwandbe-

reich vorhanden ist. Luft, die durch die umlaufende Schaufeln verdichtet wird, hat eine Tendenz, über die Rotorspitze durch diesen Spalt hindurch zurückzuströmen oder zu lecken, wodurch ein Spitzenspaltwirbel entsteht. Dieser Wirbel tritt mit der Grenzschicht der Gehäusewand in Wechselwirkung und erzeugt einen Spitzenverlust.

Der übliche Weg zum Steuern dieser Leckage bestand darin, den Spalt bzw. den Spielraum zwischen der Rotorspitze und dem umgebenden Gehäuse möglichst klein zu machen. Jedoch wachsen sowohl das Verdichtergehäuse als auch die Verdichterschaufel in radialer Richtung während der Betriebsperioden des Triebwerks. Um eine Berührung zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse zu verhindern, muß ein ausreichender Spielraum während des normalen Betriebs des Triebwerks vorhanden sein, um ein unterschiedliches Wachstum während transienter Betriebsbedingungen zu gestatten. Eine andere Lösung besteht darin, Reibstellen vorzusehen, indem entweder ein Reibband in dem Gehäuse oder eine Reibspitze auf der Rotorschaufel vorgesehen ist, um einen gewissen Grad eines gesteuerten Abriebs zu gestatten.

Eine andere Möglichkeit zum Verkleinern der Leckage über den Schaufelspitzen besteht darin, eine Vertiefung in der Wand des Gehäuses auszubilden und die Rotorschaufel bis nahezu Linie-auf-Linie mit der ursprünglichen Gehäusewand zu verlängern. Derartige Vertiefungen können die Rotorschaufelspitze während gewisser oder aller Betriebsperioden des Triebwerks aufnehmen. Der Ubergangsbereich vom Verdichtergehäuse zur Vertiefung ist üblicherweise eine abrupte Änderung von der glatten Gehäusewand. Diese abrupten Ubergangsbereiche treten sowohl an dem vorderen als auch dem hinteren Ende der Vertiefung auf. Beipsielsweise sind Rinnen mit rechtwinkligem Querschnitt bekannt, wobei die Übergangsbereiche durch rechte Winkel gebildet sind. Testergebnisse zeigen, daß derartige Rinnen bestenfalls für eine minimale Verbesserung im Wirkungsgrad sorgen und unter gewissen Bedingungen tatsächlich die Leistung verschlechtern.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Gehäusevertiefung einer Strömungsmaschine zu schaffen, die die Verluste an den Rotorspitzen senkt. Dabei soll insbesondere der aerodynamische Wirkungsgrad eines Verdichters eines Gasturbinentriebwerks verbessert werden.

Erfindungsgemäß wird eine Verbesserung geschaffen für einen Verdichter einer Axialströmungsmaschine mit einer Schaufel, die relativ drehbar ist in bezug auf eine radial angeordnete Oberfläche. Die Oberfläche begrenzt eine Strömungsbahn für ein sich nach hinten bewegendes Strömungsmittel. Die Verbesserung beinhaltet eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Vertiefung in der Oberfläche, wobei die Vertiefung relativ zur Schaufel radial angeordnet und dazwischen ein Spielraum gebildet ist. Die Vertiefung weist eine im allgemeinen nach hinten gerichtete Wand und eine allgemeine nach vorne gerichtete Wand auf. Die nach hinten gerichtete Wand ist so orientiert, daß sie einen Damm oder Staukörper für die Vorwärtsströmung des Strömungsmittels in dem Spielraum bildet. Die nach vorne gerichtete Wand ist so orientiert, daß sie einen aerodynamisch glatten übergang von der Vertiefung in die Strömungsbahn bildet.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine Ansicht von einem Teil eines Verdichters eines Gasturbinentriebwerks gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 ist eine Detailansicht einer, Verdichterrotorschaufel und des benachbarten Gehäuses, wie es in Figur 1 gezeigt ist.

Figur 3 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 3 - 3 in Figur 1.

Figur 4 ist eine Schnittansicht nach einem Schnitt entlang der Linie 4 - 4 in Figur 1.

Figur 5 ist eine Detailansicht von einer Verdichterstatorschaufel und einer benachbarten Innenwand, wie sie in Figur 1 gezeigt ist.

Die Erfindung kann in dem Verdichter irgendeiner Axialströmungsmaschine angewendet werden. Zu Darstellungszwecken wird die Erfindung anhand eines Gasturbinentriebwerks beschrieben.

Figur 1 zeigt einen Teil eines Verdichterabschnitts 10 eines Gasturbinentriebwerks mit einer Rotorreihe 12 und einer Statorreihe 14. Die Rotorreihe 12 weist mehrere Schaufeln 18 auf, die um eine Triebwerksmittellinie 16 drehbar sind. Die Statorreihe 14 weist mehrere Schaufeln 19 auf, die in bezug zur Mittellinie 16 feststehend sind. Eine Strömungsbahn 20 für Luft bewegt sich in axialer Richtung durch den Verdichterabschnitt. Die Strömungsbahn ist durch ein äußeres Gehäuse 22 mit einer radial nach innen gerichteten Oberfläche 24 und einer Innnenwand 26 mit einer radial nach außen gerichteten Oberfläche 28 begrenzt. Jede Rotorschaufel 18 weist ein radial äußeres Ende oder eine Schaufelspitze 30 auf. Das äußere Gehäuse 22 umgibt in Umfangsrichtung jede Rotorreihe 12. Zwischen der umlaufenden Schaufelspitze 30 und dem feststehenden Außengehäuse 22 muß ein Spielraum 50 beibehalten werden, um eine Reibwirkung dazwischen zu verhindern.

Jede Schaufel 18 ist relativ drehbar in bezug auf die radial angeordnete Oberfläche 24, wie die Schaufel 19 relativ drehbar ist in bezug auf die radial angeordnete Oberfläche 28. Weiterhin ist die Schaufel 19 feststehend in bezug auf die Oberfläche 24, und die Schaufel 18 ist feststehend in bezug auf die Oberfläche 28.

Wenn die Schaufel! 18 um die Mittellinie 16 umlaufen, wird Luft in der Strömungsbahn 20 im allgemeinen nach hinten bewegt. Gleichzeitig wird Luft verdichtet, wenn sie über jede Rotor-

reihe 12 strömt^ wodurch ihr Druck vergrößert wird. Infolgedessen wird ein Bereich 32 mit relativ höherem Druck hinter der Rotorschaufel 12 in bezug auf einen Bereich 34 mit niedrigerem Druck vor der Reihe 12 ausgebildet. Wie in Figur 3 gezeigt ist, weist jede Schaufel 18, die in der durch den Pfeil 52 angegebene Richtung umläuft, eine Druckfläche 54 und eine Saugfläche 56 auf. Der Druck auf die Oberfläche 54 ist größer als derjenige auf der Oberfläche 56. Die Tendenz der einen höheren Druck aufweisenden Luft, durch den Spalt 50, wie er in Figur 2 gezeigt ist, in den Bereich eines niedrigeren Drucks zu strömen, wie es durch den Pfeil 58 in Figur 3 gezeigt ist, trägt zu Verlusten in der Form eines Spitzenspaltwirbels bei, der nahe dem radial äußeren Ende der Spitze 30 der Schaufel 18 gebildet wird.

Zu dem Verlustproblem trägt die Tatsache bei, daß die Grenzschichtluft nahe der radial nach innen gerichteten Oberfläche 24 sich im allgemeinen in der Richtung nach hinten bewegt und mit der Luft in Wechselwirkung tritt, die durch den Spitzenspalt 50 nach vorne zu strömen versucht. Es wird angenommen, daß erfindungsgemäß die Vorwärtsbewegung der Spitzenspalts trömung gehemmt wird, während ein unbeeinträchtigter Durchtritt der sich nach hinten bewegenden Hauptströmung gestattet wird.

Figur 2 zeigt eine Rotorschaufel 18 und ein Außengehäuse 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Außengehäuse 22 ist eine Vertiefung 38 angeordnet, die in ünfangsrichtung die Schaufelspitze 30 umgibt. Die Vertiefung 38 ist durch erste und zweite sich schneidende Wände 40 bzw. 42 gebildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Wand 40 im allgemeinen nach hinten gerichtet und steht im wesentlichen senkrecht auf der nach vorne gerichteten Oberfläche 24. Die zweite Wand 42 ist im allgemeinen nach vorne gerichtet und bildet eine glatte Kurve zwischen der Schnittstelle 44 mit der ersten Wand 40 und der Schnittstelle 46 mit der Oberfläche 24.

Der in Figur 2 gezeigte Aufbau soll eine abrupte Änderung von der Gehäuseoberfläche 24 zur ersten Wand 40 an ihrer Schnittstelle 48 und einen nicht abrupten oder relativ glatten übergang von der zweiten Wand 42 zur Gehäuseoberfläche 24 an der Schnittstelle 46 hervorrufen. Es wird angenommen, daß der abrupte übergang an der Schnittstelle 48 für eine gute Ablösung der nach hinten strömenden Grenzschichtluft von der Oberfläche 24 sorgt, während gleichzeitig ein Damm oder Staukörper in der Form der Wand 40 ausgebildet wird, um die Vorwärtsströmung von dem Spitzenspaltwirbel auf ein Minimum zu senken. Es wird ferner angenommen, daß der nicht abrupte übergang von der zweiten Wand 42 zur Oberfläche 24 an der Schnittstelle 46 einen aerodynamisch glatten übergang oder eine Luftströmung gestattet, die von der Vertiefung 38 in die Strömungsbahn strömt.

Es sind selbstverständlich viele verschiedenartige Konfigurationen der Vertiefung 38 möglich, um diese Bedingungen zu erfüllen. Beispielsweise kann die zweite Wand 42 verschiedene relativ glatte Oberflächen bilden, die einen nicht abrupten übergang in die Oberfläche 24 an der Schnittstelle 46 bilden. In dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet die Wand 42 eine Kurve, die eine im wesentlichen gerade Linie ist, die an der Schnittstelle einen Winkel O^ mit der Gehäuseoberfläche 24 bildet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Winkel<X im allgemeinen kleiner als oder gleich 10°. Der Winkel Cl hängt jedoch von der Länge 51 der Vertiefung 38, gemessen von der Schnittstelle 48 zur Schnittstelle 46, der Tiefe 53 der Vertiefung 38 und der geometrischen Form 42 der Wand ab.

Die Schaufelspitze 30 kann so geformt sein, daß sie geometrisch ähnlich der Kurve ist, die durch die zweite Wand 42 gebildet ist. Beispielsweise bildet in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Spitze 30 eine gerade Linie im wesentlichen parallel zur Wand 42. Somit ist jeder Punkt auf dieser Kontur im wesentlichen in dem gleichen radialen Abstand zur Wand 42.

■-ν

Die radiale und axiale Lage der Schaufelspitze 30 relativ zur Vertiefung 38 ändert sich während des Triebwerksbetriebs, da sich die Schaufel 18 biegt, elastisch verformt aufgrund der Zentrifugalkraft oder ein unterschiedliches thermisches Wachstum erfährt in bezug auf das Gehäuse 22. Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem die Schaufelspitze 30 während des stationären Betriebs relativ zur Vertiefung 38 angeordnet ist. Die kritischen Abmessungen in diesem Betriebszustand sind der axiale Abstand 49 zwischen der Schaufel 18 und der ersten Wand 40 und der radiale Abstand oder der Spitzenspalt 50,der Spitze 30 und der zweiten Wand 42. zwischen

Der Abstand 49 hängt von verschiedenen Faktoren einschließlich des Materials und der Geometrie der Schaufel ab. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Abstand 49 in der Größenordnung von 10 % des Schaufelumfangsabstandes. Der Abstand 50 ist ebenfalls eine Funktion des Materials und der Geometrie der Schaufel. Im allgemeinen ist dieser Abstand so ausgelegt, daß ein unterschiedliches Wachstum während transienter Betriebsbedingungen des Triebwerks gestattet ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand etwa 0,10 % des Durchmessers der Rotorreihe 12.

Die Abstände 49 und 50 können in Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall variieren. Weiterhin kann erfindungsgemäß eine abreibbare Verkleidung für die Wände 42 oder 40 der Vertiefung 38 und/oder eine abreibbare Spitze auf der Schaufel 18 verwendet werden. In jedem dieser Fälle können die Abstände 50 und/oder 49 in bekannter Weise variieren.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Figuren 1 und 5 gezeigt ist, ist die Vertiefung 60 in der radial nach außen gerichteten Oberfläche 28 der Innenwand 26 angeordnet und relativ zur Statorreihe 14 radial versetzt. Wie bei der Gehäusevertiefung 38 ist die Vertiefung 60 durch erste und zweite sich schneidende Wände 62 und 64 gebildet. Die Wand 62 ist allgemein nach hinten gerichtet und bildet eine

abrupte Änderung von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle 66. Die Wand 64 ist im allgemeinen nach vorne gerichtet und bildet eine relativ nicht-abrupte Änderung von der Oberfläche 28 an ihrer Schnittstelle 68.

Obwohl sich die Statorreihe 14 nicht bewegt, ist ihre Relation zur Innenwand 26 ähnlich der Relation zwischen der Rotorreihe 12 und dem Außengehäuse 23. Jede weist eine Reihe Schaufeln auf, die relativ drehbar sind in bezug auf eine radial angeordnete Oberfläche. Ferner erfährt durch jede Reihe nach hinten strömende Luft einen Druckanstieg. Infolgedessen hat die Luft die Tendenz, sich nach vorn über die Schaufelspitze von einem Bereich eines höheren Druckes zu einem Bereich eines niedrigeren Druckes zu bewegen. Figur 4 zeigt eine derartige Luftbewegung durch den Pfeil 70.

Alternative Ausführungsbeispiele für Konfigurationen der Vertiefung 38, wie sie vorstehend beschrieben wurden, gelten in gleicher Weise für die Vertiefung 60. Verdichter können mit Vertiefungen 38 nur in dem Außengehäuse 22, mit Vertiefungen 60 nur in der Innenwand 26 oder mit Vertiefungen sowohl im Gehäuse 22 als auch der Wand 26 mit entweder gleichen oder unterschiedlichen Konfigurationen aufgebaut werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf Verdichtergehäusevertiefungen oder Innenwandvertiefungen mit der bestimmten geradlinigen Konfiguration beschränkt wie sie hier gezeigt ist. Vielmehr kann jede geometrische Konfiguration der nach hinten gerichteten Wand, die eine Vorwärtsströmung von dem Spitzenspaltwirbel hemmt und eine gute Trennung der Grenzschichtluft gestattet, und jede geometrische Konfiguration einer nach vorne gerichteten Wand oder Wände verwendet werden, die für einen glatten Übergang in die Strömungsbahn 20 sorgen.

Ferner sind die Abmessungen und proportionalen und strukturellen Relationen in den Zeichnungen nur als Beispiel gedacht und sind nicht als die tatsächlichen Abmessungen oder proportionalen und strukturellen Relationen zu verstehen.

Ferner soll der Verdichterabschnitt 10, wie er in Figur 1 gezeigt ist, die Relation zwischen einer relativ drehbaren Schaufel und einer radial angeordneten Oberfläche und die Vertiefung in dieser Oberfläche darstellen. Die Strömungsbahn 20 und die Strömungsbahnoberflächen des Außengehäuses und der Innenwand sind axial mit der Triebwerksmittellinien 16 ausgerichtet. In vielen Anwendungsfällen können diese Oberflächen und Strömungsbahnen jedoch in bezug auf die Triebwerksmittellinie geneigt sein. Deshalb definieren die hier verwendeten Begriffe "axial" und "axia]jgerichtet" eine Richtung im wesentlichen parallel zu einer der folgenden: Der Triebwerksmittellinie, der Strömungsbahn oder einer Strömungsbahnoberfläche.

Claims

Patentansprüche

1. Verdichter für eine Axialströmungsturbomaschine mit einer Schaufel, die relativ drehbar ist in bezug auf eine radial angeordnete Oberfläche, die eine Strömungsbahn für ein sich nach hinten bewegendes Strömungsmittel begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche (24; 28) eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Vertiefung (38; 60) radial relativ zur Schaufel (18; 19) angeordnet ist, wobei dazwischen ein Spalt bzw. Zwischenraum (50; 60) gebildet ist, wobei die Vertiefung (38; 60) eine im allgemeinen nach hinten gerichtete Wand (40; 62) und eine im allgemeinen nach vorne gerichtete Wand (42; 64) aufweist, wobei die nach hinten gerichtete Wand (40; 62) so orientiert ist, daß sie einen Damm oder Staukörper für die Vorwärtsströmung des Strömungsmittels in den Zwischenraum (50; 60) bildet, und die nach vorne gerichtete Wand (42; 64) so orientiert ist, daß sie einen aerodynamisch glatten übergang von der Vertiefung (38; 60) in die Strömungsbahn (20) bildet.

2. Verdichter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet

daß

die nach hinten gerichtete Wand (40) im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche (24) gerichtet ist und die nach vorne gerichtete Wand (42) einen Winkel von im allgemeinen weniger als 10° in bezug auf die Oberfläche (24) bildet.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (38) durch erste und zweite sich schneidende Wände gebildet ist, wobei die erste Wand im wesentlichen senkrecht zur Gehäuseoberfläche verläuft und nach hinten gerichtet ist.

4. Verdichter nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wand so orientiert ist, daß sie einen aerodynamischen glatten übergang von der Vertiefung (38) in die Strömungsbahn (20) bildet.

5. Verdichter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wand eine im wesentlichen gerade Linie bildet, die einen Schnittwinkel in bezug auf die Gehäuseoberfläche von im allgemeinen weniger als 10° bildet.

6. Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem radial äußeren Ende jeder Schaufel eine geformte Spitze vorgesehen ist, wobei die Form der Vertiefung geometrisch ähnlich ist derart, daß der radiale Abstand von jedem Punkt auf der Form zur zweiten Wand im wesentlichen der gleiche ist.

7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung (38; 60) auf der radial äußeren Wand (24) oder der radial inneren Wand (28) der Strömungsbahn (20) angeordnet ist.