DE3521798C2 - Axialverdichter mit Pumpverhütungsmaßnahmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Gas­ turbinentriebwerke.

Axialverdichter weisen grundsätzlich einen oder mehrere Laufräder auf, die jeweils mit Schaufeln mit Tragflügelprofil bestückt und in einem Gehäuse gelagert sind, in welchem außerdem Leitschaufeln eingebaut sind. Der Verdichter insgesamt stellt eine mehrstufige Baueinheit dar, da die von jeder Stufe zu leistende Arbeit (Druck­ steigerung) verhältnismäßig klein ist. Jede Stufe besteht aus einem Laufschaufelkranz, hinter welchem ein Leit­ schaufelkranz angeordnet ist. Der Grund für die nur verhältnismäßig kleine Drucksteigerung, die in jeder Stufe erreicht werden kann, liegt darin, daß der Diffusionsgrad und der Anstellwinkel der Schaufeln begrenzt werden müssen, um Verluste durch Abreißen der Luftströmung an den Schaufeln und damit ein Abreißen der Förderung durch die Schaufel zu vermeiden.

Der als Abreißen bzw. Pumpen bezeichnete Vorgang tritt auf, wenn die Luftströmung durch den Verdichter gestört wird. Obwohl die Begriffe Abreißen ("stall") und Pumpen ("surge") häufig als bedeutungsgleich verwendet werden, gibt es hier einen Unterschied, der allerdings hauptsächlich im Ausmaß der betreffenden Erscheinung liegt. Ein Abreißen der Förderung kann auch bei nur einer Stufe oder einer Gruppe von Stufen auftreten, wohingegen ein Pumpen des Verdichters im allgemeinen ein vollständiges Abreißen der Förderung im gesamten Verdichter bezeichnet.

Die Werte von Luftdurchsatz und Druckverhältnis, bei denen Pumpschwingungen einsetzen, wird als Pumpgrenze bezeichnet. Diese Pumpgrenze ist ein jeder Verdichterdreh­ zahl zugeordneter charakteristischer Wert, und eine alle Pumpgrenzpunkte miteinander verbindende Kennlinie, die Pumpgrenzenkurve (Fig. 7), gibt den maximalen stabilen Durchsatz an, der bei irgendeiner Drehzahl erreicht werden kann. Ein Verdichter wird üblicherweise so ausgelegt, daß er noch einen guten Sicherheitsspielraum (Bereich A) zwischen denjenigen Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten, bei denen er normalerweise betrieben wird (Arbeitslinie) und den Luftdurchsatz- und Druckverhältniswerten aufweist, bei welchen Pumpschwingungen einsetzen.

Für einen zufriedenstellenden Betrieb einer Verdichter­ stufe müssen bekanntermaßen diese Stufe selbst und auch die angrenzenden Stufen mit ihren Schaufeln sorgfältig ab­ gestimmt und aneinander angepaßt werden, da jede einzelne Stufe ihre eigenen Strömungseigenschaften besitzt. Daher ist es äußerst schwierig, einen Verdichter so auszulegen, daß er über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zufriedenstellend arbeitet, wie es bei Flugzeugtriebwerken notwendig ist.

Außerhalb der Konstruktionsbedingungen hat die Strömung um eine Schaufel die Neigung, in eine heftige Turbulenz zu entarten, und das glatte Strömungsbild durch die betreffende Stufe oder Gruppe von Stufen wird damit zerstört. Die Luftförderung durch den Verdichter reißt gewöhnlich ab und aus der Luftströmung entwickelt sich ein schnell umlaufender Druckluftring im Bereich der Schaufel­ spitzen einer Verdichterstufe oder einer Gruppe von Stufen. Tritt ein vollständiges Abreißen der Förderung in sämtlichen Stufen des Verdichters auf, setzt ein Pumpen des Verdichters ein.

Der Übergang von einem Abreißen der Förderung in einer einzelnen Verdichterstufe oder einer Gruppe von Stufen zu einem Pumpen des gesamten Verdichters kann so schnell erfolgen, daß er nicht wahrgenommen wird, andererseits aber kann ein Abreißen der Förderung in einzelnen Stufen so schwach sein, daß sich nur leichte Vibrationen oder schlechte Beschleunigungs- oder Verzögerungseigenschaften einstellen. Ein ernsthafteres Abreißen der Verdichter­ förderung äußert sich in einem Anstieg der Turbinengas­ temperatur und in einem Vibrieren oder "Husten" des Verdichters. Ein einsetzendes Pumpen tritt als Schlag unterschiedlicher Stärke vom Triebwerksverdichter und als Anstieg der Turbinengastemperatur in Erscheinung.

Es ist daher notwendig, Maßnahmen zur Steuerung des Durchsatzes zu treffen, um einen effizienten Betrieb des Triebwerks über einen weiten Drehzahlbereich sicher­ zustellen und um den oben erwähnten Sicherheitsspielraum aufrechtzuerhalten. Eine bekannte Möglichkeit hierzu ist in der DE-PS 26 42 603 beschrieben und besteht darin, das Verdichtergehäuse eines solchen Triebwerks mit einem Kranz von Schlitzen zu versehen, die mit Bezug auf die Drehachse des Rotors schräg verlaufen und im Bereich mindestens eines Schaufelkranzes innerhalb der etwa zylind­ rischen Innenwandfläche des Gehäuses angeordnet sind. Diese Schlitze haben eine axiale Länge, die wesentlich größer als diejenige des Schaufelkranzes ist, und sie endigen stromab des Schaufelkranzes.

Aus der ASME-Publication 75-GT-13 mit dem Titel "Study on the Mechanism of Stall Margin Improvement of Casing Treatment", 1975, Seite 3, ist ebenfalls die Anordnung eines Kranzes von Schlitzen im Verdichtungsgehäuse dargestellt, wobei die Schlitze parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen und ein symmetrischer geringfügiger Schlitzüberhang sowohl mit bezug auf den Flugkreis der vorderen Schaufelenden wie auch auf den Flugkreis der hinteren Schaufelenden gegeben ist. Allerdings ist im Text dieser Veröffentlichung diesbezüglich nichts aus­ gesagt.

Der rückwärtige Schlitzüberhang bei den bekannten Anordnungen führt unvermeidlich zu einem Übertritt unverdichteter Luft zur stromabwärtigen Seite der Schaufelhinterkanten im Schau­ felhinterkantenbereich. Die Kombination von vorderem Schlitz­ überhang mit hinterem Schlitzüberhang bei den bekannten An­ ordnungen verringert also unvermeidlich die Effizienz des Verdichters, weil ein Teil des Massendurchsatzes durch die Verdichtungsstufe wie durch einen Bypass-Kanal durch die Schlitze strömt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Axialver­ dichter der in Rede stehenden Gattung eine hinsichtlich Geo­ metrie und Lage der Schlitze mit bezug auf die Schaufeln optimale Gestaltung des Verdichtergehäuses zu finden, um ohne Inkaufnahme übermäßig großer Wirkungsgradverluste des Ver­ dichters über einen weiten Drehzahlbereich einen ausreichenden Sicherheitsspielraum zwischen Arbeitslinie und Pumpgrenze zu erhalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Während die Anordnungen bei dem Stand der Technik offensicht­ lich davon ausgehen, daß sowohl ein vorderer Schlitzüberhang als auch ein hinterer Schlitzüberhang notwendig seien, um überhaupt das gewünschte Grundziel zu erreichen, hat die Er­ findung erkannt, daß ein beträchtlicher Vorteil durch die er­ findungsgemäße asymmetrische Anordnung der Schlitze erreicht werden kann. Indem die Schlitze axial stromauf der Schaufel­ vorderkanten endigen, aber nicht hinter den Schaufelhinter­ kanten, sondern vorzugsweise stromauf derselben, wird eine kontinuierlichere Strömung der Luft im Schaufelspitzenbereich erreicht, wobei eine Umleitung nur noch im Schaufelvorder­ kantenbereich stattfindet. Durch Wiedereinleitung der Luft aus den Schlitzen in die Verdichterstufe zum Hinterkanten­ bereich des Schaufelkranzes 7 wird die Luft dort zumindest in einem gewissen Maße komprimiert und dadurch der Wirkungsgrad der Verdichterstufe insgesamt verbessert.

Vorzugsweise verlaufen die Schlitze jeweils schräg zur Rotorachse und ihre Grundflächen sind so geformt, daß ein glatt fließender Austritt von unter hohem Druck stehender Luft aus dem Schlitz möglich ist.

Außerdem sind die Schlitze jeweils so gestaltet, daß ihre Seitenwände mit einer durch die Gehäusemitte verlaufenden Radiallinie einen Winkel bilden und demzufolge also nicht genau radial mit Bezug auf die Rotorachse zu der Gehäuseinnenwandfläche verlaufen, und der Winkel, unter welchem die Schlitze schräg verlaufen, kann etwa gleich dem Austrittswinkel der Strömung aus den Schaufeln sein. Versuche haben gezeigt, daß eine Verbesserung des Sicherheitsspiel­ raums durch eine Veränderung des Verhältnisses von Schlitz­ abstand zu Schlitzbreite, gemessen in Umfangsrichtung des Verdichtergehäuses, erzielt werden kann. Dieses Verhältnis von geschlossener Wandfläche zu Wandöffnung (m/M) ist in Fig. 4 dargestellt. Verbesserungen hinsichtlich des Sicherheitsspielraums können außerdem durch Veränderung der Axialposition der Schlitze derart erreicht werden, daß die Schlitzvorderkante um eine als Überstand bezeichnete Distanz vorderhalb der Schaufelvorderkante liegt.

Es wurde zunächst erwartet, daß die beste Verbesserung der Verdichtereigenschaften insgesamt durch eine Kombination von m/M-Verhältnis und Überstand erreicht würde, welche an sich die beste Verbesserung des Sicherheitsspielraums gegen Pumpschwingungen ergibt. Weitere Versuche zeigten jedoch, daß dies nicht der Fall ist und daß tatsächlich die beste Gesamtverbesserung der Verdichtereigenschaften durch eine Kombination des besten Überstandswertes mit einem etwas höheren m/M-Verhältnis erzielt wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht ein Gasturbinentriebwerk mit aufgebrochenem Verdichtergehäuse, an welchem die Erfindung schematisch dargestellt ist,

Fig. 2 die im aufgebrochenen Verdichter­ gehäuseteil in Fig. 1 gezeigte Gehäuseausbildung in näheren Einzelheiten,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung der Pfeile D in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Schnitt­ linie K-K in Fig. 3,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Verbesserung des Pumpverhütungs- Sicherheitsspielraums (W) und des Wirkungsgradverlustes (Linie X) über dem Wand/Schlitz-Verhältnis (m/M) für einen Überstand Null,

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Verbesserung des Pumpverhütungs- Sicherheitsspielraums (Linie Y) und des Wirkungsgradverlustes (Linie Z) in Abhängigkeit vom Überstand für eine Schlitzanordnung mit einem Wand/Schlitz-Verhältnis von 0,58,

Fig. 7 eine grafische Darstellung des Druckverhältnisses über dem Durchsatz für einen typischen Verdichter mit der Pumpgrenzen­ kurve, der Arbeitslinie und dem Sicherheitsspielraum (Bereich A) zwischen diesen beiden Linien, und die

Fig. 8, 9 und 10 drei verschiedene Schlitzgestaltungs­ möglichkeiten.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit, strömungstechnisch in Reihe geschaltet, einem Niederdruck­ verdichter 12, einem Hochdruckverdichter 14, einer Brenneinrichtung 16, einer Hochdruckturbine 18, einer Niederdruckturbine 20 und einer Abgasdüse 22. Der Nieder­ druckverdichter 12 und die Niederdruckturbine 20 einerseits und der Hochdruckverdichter 14 und die Hochdruckturbine 18 andererseits sind jeweils auf einer nicht dargestellten koaxialen Wellenanordnung drehbar angeordnet. Die erfindungsgemäße Gehäusegestaltung ist in dem aufgebrochenen Teil des Niederdruckverdichtergehäuses 24 nur schematisch dargestellt.

Fig. 2 zeigt im Axialschnitt in näheren Einzelheiten den in Fig. 1 aufgebrochen dargestellten Gehäusebereich des Niederdruckverdichters. Die dargestellte Verdichterlauf­ schaufel 26 einer Stufe des Niederdruckverdichters 12 weist eine Schaufelvorderkante 26a und eine Schaufelhinterkante 26b auf. Das Verdichtergehäuse 24 umschließt mit seinem Gehäuse­ abschnitt 28 den Niederdruckverdichter 12. Dieser Gehäuse­ abschnitt 28 ist an seiner Innenwandfläche 32 mit einem Kranz von jeweils schräg verlaufenden Schlitzen 30 versehen, von denen einer im Schnitt dargestellt ist. Die Schlitze 30 weisen jeweils eine Tiefe B und eine axiale Länge C auf und sind so geformt und angeordnet, daß die Vorderkante 30a jedes Schlitzes 30 axial stromauf des Flugkreises der Schaufelvorderkanten 26a liegt.

Gemäß Fig. 3 ist der Schränkungswinkel R der schräg verlaufenden Schlitze so gewählt, daß er etwa gleich dem Strömungsaustrittswinkel der Verdichterlaufschaufeln 26 ist. Der Strömungsaustrittswinkel ist derjenige Winkel, mit welcher der verdichtete Luftstrom aus dem Laufschaufel­ kranz austritt, und liegt gewöhnlich bei etwa 35°. Dieser Austrittswinkel ist natürlich gleich dem Strömungseintritts­ winkel des stromab angrenzenden, nicht dargestellten Leit­ schaufelkranzes. Das Maß H stellt die axiale Länge der Schaufel 26 zwischen ihrer Vorderkante 26a und ihrer Hinter­ kante 26b parallel zur Verdichterachse I-I dar.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Grundfläche 34 jedes Schlitzes 30 im wesentlichen flach, ausgenommen den Hinterkantenbereich 30b, der unter einem Winkel von etwa 45° zur Verdichterachse abgeschrägt ist. Natürlich können auch andere Schlitzgrundflächen Anwendung finden. Beispielsweise können die Schlitze 30 eine konkave Boden­ fläche oder an beiden Enden eine Abschrägung haben, um einen fließenderen Luftdurchtritt durch die Schlitze 30 zu erhalten. Die in Schlitzlängsrichtung verlaufenden Seitenwände 36 jedes Schlitzes 30 sind, wie in Fig. 4 gezeigt ist, mit Bezug auf die Radialrichtung jeweils geneigt.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie K-K in Fig. 3. Die Schlitze 30 verlaufen also jeweils nicht radial, sondern unter einem Winkel Φ mit Bezug auf die Radialrichtung des Verdichters. Dieser Winkel Φ ist so gewählt, daß die Schlitze 30 Druckluft von den Verdichterlaufschaufeln aufnehmen. Die Umlauf­ richtung der Laufschaufeln 26 ist dabei durch den Pfeil S angegeben. Das Verhältnis von geschlossener Wandfläche m zu offener Wandfläche (Schlitz) M ist in Fig. 4 durch die Maße m und M angegeben.

Es hat sich erwiesen, daß die Schlitze 30 im Nieder­ druckgehäuseabschnitt 28 eine die Strömungsverhältnisse in gewissem Maße steuernde Wirkung ergeben oder sogar ein Abreißen der Förderung und daher im wesentlichen auch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Pump­ schwingungen praktisch verhindern.

Die folgenden Ergebnisse sind beispielsweise zur Darstellung der erreichten Vorteile bei einem untersuchten Schaufelkranz angegeben.

Die axiale Schlitzlänge C war gleich der axialen Länge H der Schaufeln 26 in ihrem radial äußersten Abschnitt und betrug etwa 12 mm. Der optimale Überstand A der Schlitze 30 wurde mit etwa 23% der axialen Schaufel­ länge H, gemessen an ihrem radial äußersten Abschnitt, ermittelt. Man kann daher vernünftigerweise ähnliche Vorteile bei Schaufeln anderer Abmessungen erwarten, wenn der Über­ stand A der Schlitze 26 ebenfalls mit etwa 23% der axialen Schaufellänge bemessen wird.

In einer ersten Untersuchung mit einer Schlitzanordnung mit dem Überstand Null hat sich gezeigt, daß man einen gewissen Vorteil hinsichtlich einer Verbesserung des Pumpgrenzen-Sicherheitsbereichs durch Verringern des Wand/Schlitz-Verhältnisses m/M bis herunter auf einen Wert von 0,42 erhält. Dies ist in Fig. 5 durch die Linie W dargestellt. Jedoch wächst, wie in Fig. 5 durch die Linie X dargestellt ist, der Wirkungsgradverlust mit einer Verringerung des Wand/Schlitz-Verhältnisses an. Bei dem besten aufgetragenen Wand/Schlitz-Verhältnis von 0,42, das die größte Verbesserung des Pumpgrenzen-Sicherheits­ spielraums von 63% ergibt, liegen der Strömungsverlust (nicht dargestellt) und der Wirkungsgradverlust im Bereich von 1,1% bzw. 1,4%.

Eine zweite Untersuchung zeigte für eine Schlitz­ anordnung mit einem gegebenen Verhältnis m/M einen weiteren Vorteil hinsichtlich einer Verbesserung des Pumpgrenzen- Sicherheitsspielraums bei Anwendung eines Schlitzüberstands derart, daß die Vorderkante der Schlitze vorderhalb der Vorderkante der Schaufeln gelegen ist. Die größte Verbesserung wurde bei einem Überstand zwischen 2,5 mm (0,1′′) und 4,6 mm (0,18′′) erreicht und ergab eine Verbesserung des Sicherheitsspielraums von 64%.

Vernünftigerweise wäre nun zu erwarten, daß die beste Gesamtverbesserung des Pumpgrenzen-Sicherheits­ spielraums durch Kombination des besten Überstands­ wertes nach der Untersuchung 2 mit dem besten Wand/ Schlitz-Verhältnis aus der Untersuchung 1 zu erhalten sei.

Eine dritte Untersuchung zeigte jedoch, daß dies nicht der Fall ist und daß die gleiche maximale Ver­ besserung des Pumpgrenzen-Sicherheitsspielraums durch Kombination des besten Überstandswerts mit einem gegen­ über dem besten Wert nach Untersuchung 1 etwas höheren Wand/Schlitz-Verhältnis erreicht wird, und daß diese Kombination dann geringere Strömungs- und Wirkungsgrad­ verluste gibt.

Als optimale Kombination wurde ein m/M-Verhältnis von 0,58 und ein Überstand von etwa 2,8 mm (0,11′′) ermittelt. Fig. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Verbesserung des Abreißgrenzen-Sicherheitsspielraums (Linie Y) und des Wirkungsgradverlustes (Linie Z) über dem Überstand einer Schlitzanordnung mit einem Wand/Schlitz- Verhältnis von 0,58. Die Steigerung der Verbesserung des Abreißgrenzen-Sicherheitsspielraums ist durch die Linie Y deutlich dargestellt; hier erfolgt eine schnelle Steigerung der Verbesserung zwischen einem Überstand von 0 mm und 2,5 mm (0,1′′), während man die maximale Verbesserung zwischen 2,8 mm (0,11′′) und 4,6 mm (0,18′′) Überstand erhält. Die entsprechende Verringerung des Wirkungs­ gradverlustes ist durch die Linie Z deutlich dargestellt, die eine schnelle Verlustverminderung zwischen einem Über­ stand von 0 mm und 2,5 mm (0,1′′) zeigt, wobei sich der Minimalwert des Wirkungsgradverlustes bei einem Überstand zwischen 2,5 mm (0,1′′) und 4,6 mm (0,18′′) einstellt. Der in der Darstellung markierte Bereich C gibt die optimalen Bedingungen an. Bei einer Schlitzanordnung mit einem Wand/Schlitz-Verhältnis von 0,58 und einem Überstand von etwa 2,8 mm (0,11′′) kann also eine Verbesserung des Abreißgrenzen-Sicherheitsspielraums von 64% bei einem Wirkungsgradverlust von gerade nur 0,3% und einer Durchsatzverringerung (nicht dargestellt) von nur 1% erreicht werden.

Obwohl sich zwischen den Untersuchungen 2 und 3 keine weitere Steigerung des Abreißgrenzen-Sicherheits­ spielraums (jeweils 64%) ergibt, bringt die dritte Untersuchung den Vorteil einer beträchtlichen Verringerung sowohl des Wirkungsgradverlustes als auch des Durch­ satzverlustes gegenüber der Untersuchung 2.

Claims (10)

1. Axialverdichter mit einem in einem Gehäuse um­ laufenden Rotor, wobei die Gehäuseinnenwandfläche im Bereich der Schaufelspitzen mindestens eines Laufschaufel­ kranzes des Rotors mit einem Kranz von etwa axial ver­ laufenden Schlitzen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Enden (30a) der Schlitze (30) axial stromauf des Flugkreises der Laufschaufelvorderkanten (26a) und die hinteren Enden (30b) der Schlitze mit Bezug auf den Flugkreis der Laufschaufelhinterkanten (26b) in der gleichen Radialebene oder axial stromauf davon gelegen sind.

2. Axialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenwandungen (36) der Schlitze (30) jeweils unter einem Winkel zur Radialrichtung des Gehäuses (24) verlaufen.

3. Axialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (30) jeweils derart schräg mit Bezug auf die Verdichterachse verlaufen, daß ihr Schränkungswinkel etwa gleich dem Strömungsaustritts­ winkel aus den Laufschaufeln ist.

4. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz, um welche die vorderen Enden (30a) der Schlitze (30) axial stromauf des Flugkreises der Laufschaufelvorderkanten (26a) liegen, im Bereich von 22% bis 38% der axialen Schaufellänge im Bereich der radial äußeren Schaufelenden liegen.

5. Axialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Distanz etwa 23% der axialen Schaufel­ länge beträgt.

6. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wandsteg­ breite (m) zwischen den Schlitzen (30) zur Schlitzbreite (M) etwa 0,58 beträgt.

7. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (34) der Schlitze (30) so gestaltet ist, daß sie einen glatt fließenden Austritt von unter Druck stehender Luft aus den Schlitzen erlaubt.

8. Axialverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitztiefe sich zum hinteren Schlitz­ ende (30b) hin verringert.

9. Axialverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schlitztiefe sich zum vorderen Schlitz­ ende (30a) und zum hinteren Schlitzende (30b) hin jeweils verringert.

10. Axialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (30) jeweils eine über ihre ganze Länge gleichbleibende Schlitztiefe haben.