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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft Verdichter zur Verwendung in Gasturbinenmaschinen
und insbesondere Zentrifugalverdichter, die eine Luftabzapfung zusammen
damit aufweisen zum Regulieren der Betriebseigenschaften des Verdichters.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
Gasturbinenmaschinen zur Verwendung beim Antreiben eines Flugzeugs
wird Luft durch mehrere Verdichterstufen gelenkt, wenn sie axial
oder axial und radial durch die Maschine zu einem Brenner strömt. Wenn
die Luft durch die einzelnen aufeinander folgenden Verdichterstufen
strömt,
wird der Luftdruck erhöht.
Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise wenn die Maschine zurückgedrosselt wird
oder während
des Anlassens ist die Verdichter-Pumpkapazität signifikant verringert. In
diesem Zustand kann es zu einem Maschinenpumpen oder Blow-out kommen,
was den Betrieb der Maschine und des zugehörigen Flugzeugs gefährdet. In
der Vergangenheit hat man erkannt, dass ein ungeeigneter Pump-Grenzbereich
bei derartigen Verdichtern eliminiert werden kann, indem man einen
substanziellen Prozentsatz der Verdichterluftströmung an strategischen Positionen
entlang dem Gasweg abzapft.
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Es
wurde in dem US-Patent Nr.
4 248 566 mit dem Titel
Dual Function Compressor Bleed, welches Chapman et al. am 3. Februar
1981 erteilt wurde, vorgeschlagen, einen ringförmigen Steuerschlitz in dem stationären Kranz
zu bilden, um so das Einströmen von
Luft von außerhalb
des Kranzes zu der Rotorkammer bei hohen Drehzahlzuständen des
Verdichterbetriebs zu erlauben und ein Abzapfen von Luftströmung von
der Rotorkammer zu dem Äußeren des Kranzes
zu erlauben, wenn der Rotor bei einer geringen Drehzahl arbeitet,
um so die Strömung
des Rotors bei Betrieb bei niedriger Drehzahl zu stabilisieren.
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Nichtsdestotrotz
ist der in diesem Patent beschriebene Ringschlitz umfangsmäßig nicht
durchgängig,
und die radiale Luftströmung
ist durch Verstärkungsbrücken an
dem Kranz beeinträchtigt.
Die Verstärkungsbrücken verbinden
die zwei Teile des Kranzes, die durch den Schlitz getrennt sind,
und dienen dazu, Strukturlasten zu tragen.
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Es
wurde auch vorgeschlagen, dass separate Öffnungen in einer umfangsmäßigen Reihe
den ringförmigen
Schlitz ersetzen können,
solange der gewünschte
Zapfströmungsquerschnitt
beibehalten ist. Die äußere Spitze
des Impellerlaufrads wird durch die örtliche Druckvariation beeinflusst,
wenn die äußere Spitze
eines jeden Laufrads von einem Bereich mit offenen Zapfpassagen
zu einem Bereich ohne Zapfpassagen oder durch die Brücken blockierten Bereich
schwenkt, was eine unerwünschte
dynamische Komponente für
den Verdichterbetrieb ist.
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Um
den Maschinendrehzahlbereich zu erhöhen, über den Verdichter auf stabile
Weise arbeiten können,
beschreibt US-Patent Nr.
4 743 161 mit dem Titel""Compressors", welches an Fisher et al. am 10. Mai
1998 erteilt wurde, einen Verdichter mit einer Luftzapfpassage in
Verbindung mit dem normalen Einlass, so dass die Luft somit nicht
zu dem Äußeren des
Laufradgehäuses,
und somit zur Atmosphäre, abgelassen
wird und auch nicht von dem Äußeren der
Atmosphäre
separat von dem normalen Gaseinlass des Verdichters eingesaugt wird,
wie in dem US-Patent Nr.
4 248 566 , sondern zurück zu dem normalen
Einlass abgelassen wird oder von dem normalen Einlass angesaugt
wird. In einer in
5 des US-Patents
4
743 161 gezeigten Ausführungsform
ist ein umfangsmäßig kontinuierlicher
ringförmiger Schlitz
vorgesehen zur Kommunikation mit der Kammer, in der das Laufrad
rotiert, und einer ringförmigen Kammer.
Die ringförmige
Kammer kommuniziert auch mit dem Einlass durch eine Reihe von Öffnungen.
Jedoch wird der Gasdruck in den Einlass und nicht in die ringförmige Kammer
abgelassen. Die Gasablasspassage weist nicht nur den ringförmigen Schlitz,
sondern auch die ringförmige
Kammer und die Reihe von Öffnungen
auf. Die Abzapfgasströmung
ist umfangsmäßig nicht
gleichmäßig wegen der Öffnungen,
und die umfangsmäßigen Druckvariationen
verursachen die dynamische Komponente und beeinflussen die äußeren Spitzen
des Lauf rads insbesondere in dem Fall, wo die Öffnungen nahe an der äußeren Spitze
der Laufschaufel sind, was in der Figur gezeigt ist.
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Zapfventile
werden auch für
Gasturbinenmaschinen verwendet, um einstellbare Zapfpassagen zu
schaffen. US-Patent Nr.
5 380 151 , welches Kostka
et al. am 10. Januar 1995 erteilt wurde und den Titel "Axially Opening Cylindrical
Bleed Valve" trägt, ist ein
Beispiel dafür.
In diesem Patent beschreibt Kostka ein Zapfventil für eine Gasturbinenmaschine
mit einem Gehäuse
aus zwei Segmenten, welches einen Gasströmungsweg durch den Verdichter
bildet.. Ein erstes Segment ist von dem zweiten Segmentweg beweglich,
was so eine Öffnung
dazwischen erzeugt. Das bewegbare Segment hat einen oder mehrere Arme
mit daran angebrachten Rollen, wobei das stationäre Segment zurückgesetzte
Wege definiert, in denen die Rollen laufen. Das bewegliche Segment wird
veranlasst, sich von dem stationären
Segment weg zu bewegen, um so das Ventil zu öffnen. Weil sich die Arme über die
ringförmige Öffnung zwischen den
zwei Segmenten erstrecken, um die zwei Segmente beweglich zu verbinden,
ist die Zapfpassage, die von dem Ventil geschaffen wird, den gleichen Problemen
ausgesetzt, wie in dem vorangegangenen Stand der Technik besprochen.
Das heißt,
eine dynamische Komponente wird erzeugt, welche die Laufschaufeln
beeinflusst, wenn die Luft durch die Zapfpassage strömt. Außerdem tragen
die an den Zapfventilsegmenten angebrachten Arme, Rollen und Bewegungswege
zum Gewicht und zu Bearbeitungsschritten bei der Herstellung des
Ventils bei, was sich zu zusätzlichen
Herstellungskosten umsetzt.
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In
GB
897 575 A , welches den Titel "Methods of and Apparatus for Preventing
Surging in Single-Stage or Multi-Stage Radial Compressor" trägt und am
30. Mai 1962 veröffentlicht
wurde, beschreibt Sulzen Freres SA einen Verdichter mit einem Kranz,
der mit einem ringförmigen
Schlitz versehen ist, in Kommunikation mit der Laufschaufelpassage
in den Kranz und eine ringförmige
Kammer, welche den Kranz umgibt. Die ringförmige Kammer befindet sich in
Verbindung mit der Atmosphäre
durch ein Rohr. Die Zapfluftströmung
wird entweder durch ein Regulierventil des Rohrs oder durch die
Verwendung beweglicher Teile zum Einstellen des ringförmigen Schlitzes
gemäß den unterschiedlichen
Ausführungsformen
davon geregelt. Ähnlich
dem US-Patent
4 743 161 weist die Gaszapfpassage
nicht nur den ringförmigen
Schlitz, sondern auch die ringförmige Kammer
und das Rohr auf. Der Gasdruck wird an einem fernen Ende des Rohrs
freigegeben, so dass die Zapfgasströmung umfangsmäßig nicht
gleichmäßig ist,
weil das Rohr dynamische umfangsmäßige Druckvariationen verursacht,
welche die äußere Spitze
des Laufrads beeinflussen. In der Beschreibung von US-Patent
5
380 151 wird auf den Nachteil eines Verdichters mit beweglichen
Teilen zum Steuern des Schlitzes Bezug genommen.
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Deshalb
besteht ein Bedürfnis
für eine
Struktur für
eine Laufradzapfpassage eines Verdichters für eine Gasturbinenmaschine,
die die dynamische Komponente eliminiert, welche die Laufschaufeln des
Laufrads beeinflussen, wenn Luft durch die Zapfpassage tritt. Es
ist auch wünschenswert,
eine Struktur für
eine einstellbare Zapfpassage bereitzustellen, die relativ einfach
und kostengünstig
herzustellen ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, eine Struktur für eine Laufradzapfpassage eines
Verdichters für
eine Gasturbinenmaschine bereitzustellen, um dynamische Komponenten
zu minimieren, welche die Laufradlaufschaufeln beeinflussen, wenn
Luft durch die Zapfpassage strömt.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Struktur für eine Laufradzapfpassage
eines Verdichters für
eine Gasturbinenmaschine bereitzustellen, die eine minimale Breite
der Zapfpassage hat, um die durch das Abzapfen der Luft verursachte
betriebsmäßig Ineffizienz
des Verdichters zu minimieren.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Struktur für eine Laufradzapfpassage
eines Verdichters für
eine Gasturbinenmaschine bereitzustellen, wobei die Breite der Zapfpassage
für verschiedene Maschinen
einstellbar ist, um sicherzustellen, dass eine Zapfwirkung, welche
durch die Schlitze bewirkt wird, die Erfordernisse einer speziellen
Maschine erfüllt,
wenn der Verdichter für
die spezielle Maschine verwendet wird.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Struktur für eine Laufradpassage
eines Verdichters für
eine Gasturbinenmaschine bereitzustellen, die eine Breite der Zapfpassage
hat, die in Reaktion auf Änderungen
in dem Luftdruck in der Laufradkammer selbstregulierend ist.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Struktur für eine Laufradzapfpassage
eines Verdichters für
eine Gasturbinenmaschine bereitzustellen, die relativ einfach und
kostengünstig
herzustellen ist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verdichter für eine Gasturbinenmaschine
vorgesehen, der einen ringförmigen
Kranz aufweist mit einem Einlassende, einem Auslassende und einer
inneren Oberfläche;
wobei ein Verdichterrotor in dem Kranz angeordnet ist, der eine
Mehrzahl von Laufschaufeln aufweist, die von dem Rotor radial und
nach außen gerichtet
sind. Der Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kranz
aufweist:
ein strömungsaufwärtiges ringförmiges Segment
und ein strömungsabwärtiges ringförmiges Segment,
die unabhängig
abgestützt
und axial um eine feste Strecke getrennt sind, und wobei sich ein
umfangsmäßig durchgehender
ununterbrochener ringförmiger Schlitz
dazwischen durch den Kranz erstreckt, um eine Zapfpassage zu bilden,
die eine umfangsmäßig gleichmäßige Zapfluftströmung erlaubt.
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Vorzugsweise
ist mindestens eines der Segmente elastisch verformbar, so dass
eine Breite des Schlitzes sich in Reaktion auf Änderungen in dem Luftdruck
in dem Kranz während
des Betriebs des Verdichters ändert.
Vorzugsweise ist das strömungsabwärtige ringförmige Segment
elastisch verformbar.
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Der
feste Trennungsabstand zwischen dem strömungsaufwärtigen und dem strömungsabwärtigen ringförmigen Segment
ist vorzugsweise voreinstellbar, so dass die Schlitzbreite für unterschiedliche Maschinen
einstellbar ist, um sicherzustellen, dass eine Zapfwirkung, die
durch den Schlitz bewirkt wird, die Erfordernisse einer speziellen
Maschine erfüllt, wenn
der Verdichter für
die spezielle Maschine verwendet wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das strömungsaufwärtige ringförmige Segment
von einer ersten Struktur abgestützt,
und das strömungsabwärtige ringförmige Segment
ist von einer zweiten Struktur abgestützt, wobei sowohl das strömungsaufwärtige als
auch das strömungsabwärtige ringförmige Segment
unabhängig
abgestützt
und selbsttragend an einem Umfangsrand dem Schlitz benachbart ist,
so dass, wenn der Verdichter in Betrieb ist, der Schlitz eine umfangsmäßig gleichmäßige Zapfpassage
bildet, welche es der Luft erlaubt, dort hindurch zu strömen, ohne
eine dynamische Komponente zu verursachen, welche die Laufschaufeln
beeinflusst.
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Die
erste Struktur ist vorzugsweise ein Induktor, der eine ringförmige Passage
in Verbindung mit dem Kranz an dem Einlassende aufweist zum Einbringen
von Luftströmung
durch den Kranz. Die zweite Struktur ist vorzugsweise ein Gehäuse, mittels dem
der Rotor rotationsfähig
abgestützt
ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen
einer Luftzapfpassage zusammen mit einem Verdichter zur Verwendung
in einer Gasturbinenmaschine bereitgestellt, wobei der Verdichter
eine Laufradanordnung hat, die einen drehbar in einem ringförmigen Kranz mit
einem Einlass und einem Auslass abgestützten Laufradrotor aufweist,
aufweisend das Herstellen des Laufradkranzes als zwei separate ringförmige Segmente
mit einem strömungsaufwärtigen ringförmigen Segment
und einem strömungsabwärtigen ringförmigen Segment,
gekennzeichnet durch
Abstützen
des strömungsaufwärtigen und
strömungsabwärtigen ringförmigen Segments
separat und unabhängig
in einer axial separaten und festen Relation, um einen umfangsmäßig durchgängigen, ununterbrochenen
ringförmigen
Schlitz dazwischen zu bilden, so dass sich der ringförmige Schlitz
durch den Kranz erstreckt und eine Zapfpassage schafft, die eine
umfangsmäßig gleichmäßige Zapfluftströmung erlaubt.
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Das
strömungsaufwärtige und
das strömungsabwärtige ringförmige Segment
sind vorzugsweise an einer ersten bzw. einer zweiten Struktur in auskragender
Weise angebracht, wobei sowohl das strömungsaufwärtige als auch das strömungsabwärtige ringförmige Segment
unabhängig
und selbsttragend an einem umfangsmäßigen Rand dem Schlitz benachbart
sind, so dass, wenn der Verdichter in Betrieb ist, Luft durch den
durchgehenden, ununterbrochenen ringförmigen Schlitz strömt, ohne
eine dynamische Komponente zu verursachen, welche den Laufradrotor
beeinträchtigt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
lediglich als ein Beispiel in Verbindung mit Bezugnahme auf die
begleitende Zeichnungen besser verstanden, für die gilt:
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1 ist ein fragmentarischer
Längsschnitt eines
Verdichters, aufweisend die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
wird nun auf die Zeichnung Bezug genommen. Ein Verdichter 10 ist
in 1 gezeigt. Er weist
eine strömungsaufwärtige Abstützanordnung 12 und
eine strömungsabwärtige Abstützanordnung 14 zum
körperlichen
Positionieren einer Verdichterlaufradanordnung 16 des Verdichters 10 in
einer zu beschreibenden Weise auf. Insbesondere ist die strömungsaufwärtige Abstützanordnung 12 aus
einem ringförmigen
Induktor 18 zum Einbringen von Luftströmung in die Verdichterlaufradanordnung 16 gebildet.
Der Induktor 18 hat eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten
radialen Statorleitelementen 20, die in einer generell
axialen Richtung über
eine ringförmige,
radiale Passage 22 positioniert sind zum Lenken von Luft
zu der Verdichterlaufradanordnung 16, die zwischen der
strömungsaufwärtigen Abstützanordnung 12 und
der strömungsabwärtigen Abstützanordnung 14 angebracht
ist.
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Die
ringförmige
radiale Passage 22 weist einen äußeren ringförmigen Kranz 24 mit
einer gestuften Schulter 26 an deren strömungsabwärtigen Ende zum
Aufnehmen eines Einlassendes 28 eines Laufradkranzes 30 auf.
Der äußere ringförmige Kranz 24 hat
eine Kontur, die eine glatte Wegoberfläche 32 des Induktorfluidwegs 34 definiert,
der glatt von einer Radialrichtung zu einer Axialrichtung geht,
um abrupte Strömungsänderungen
strömungsaufwärts einer konturierten
inneren Oberfläche 36 des
Laufradkranzes 30 zu verhindern. Ähnlich weist die ringförmige radiale
Passage 22 einen inneren ringförmigen Kranz 38 auf,
der glatt von einer Radialrichtung zu einer Axialrichtung geht und
eine glatte Oberfläche 40 des Strömungswegs 34 definiert,
um abrupte Strömungsänderungen
durch den Strömungsweg 34 zu
der konturierten Nabenoberfläche 42 einer
Laufradnabe 44 der Verdichterlaufradanordnung 16 zu
vermeiden.
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Eine
abradierbare ringförmige
Dichtungsanordnung 46 ist zwischen dem inneren ringförmigen Kranz 38 und
der Laufradnabe 44 vorgesehen und weist eine konturierte
Oberfläche 48 auf,
welche einen glatten Übergang
zwischen der Oberfläche 40 des
inneren ringförmigen
Kranzes 38 und der Nabenoberfläche 42 definiert.
Die abradierbare Dichtungsanordnung 46 ist an dem inneren
ringförmigen Kranz 38 an
deren strömungsabwärtigen Ende
angebracht und von einem Federring 50 in Position gehalten.
Die abradierbare Dichtungsanordnung 46 weist ein Labyrinthdichtungselement 52 an
der Laufradnabe 44 zum Abdichten des internen Luftströmungswegs
durch die Verdichteranordnung 10 von den Niederdruckhohlräumen in
dem Verdichter auf.
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Der
Luftströmungsweg
durch die Verdichterlaufradanordnung 16 ist so angeordnet,
dass er eine so gleichförmig
wie mögliche
Strömung
von dem Induktor 18 zu einer ringförmigen Laufradkammer 54, die
von der Laufradnabe 44 und dem Laufradkranz definiert ist,
erzeugt.
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Insbesondere
ist die Laufradkammer 54 zwischen der inneren Oberfläche 36 des
Laufradkranzes 30 und der Nabenoberfläche 42 der Laufradnabe 44 gebildet.
Eine Mehrzahl von Laufradlaufschaufeln 56 erstreckt sich
radial und axial von der Laufradnabe 44. Jede der Laufradlaufschaufeln 56 weist
eine Vorderkante 58, eine Hinterkante 60 und eine äußere Spitze 62 auf.
Die Vorderkante 58 der Laufradlaufschaufel 56 ist
an dem Einlassende 28 des Laufradkranzes 30 angeordnet,
und die Hinterkante 60 ist an einem Auslassende 64 des
Laufradkranzes 30 angeordnet. Die äußere Spitze 62 der
Laufradlaufschaufel 56 erstreckt sich beginnend an der
Vorderkante 58 und endend an der Hinterkante 60 glatt
von einer Axialrichtung zu einer nach außen gehenden Radialrichtung
und folgt der Kontur der inneren Oberfläche 36.
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Die
Verdichterlaufradanordnung 16 ist rotationsfähig relativ
zu der konturierten inneren Oberfläche 36 des Laufradkranzes 30 mit
einer hinteren Lageranordnung 66 und einer vorderen Lageranordnung 68 abgestützt. Die
hintere Lageranordnung 66 stützt eine hintere Nabenverlängerung 70 ab.
Die Laufradnabe 44 ist an einer Verdichterantriebswelle, nicht
gezeigt, angebracht und wird von der Antriebswelle während des
Verdichterbetriebs angetrieben. Die strömungsabwärtige Abstützanordnung 14 weist ein
Gehäuse- 72,
eine Lagerabstützung 74 und
ein abradierbares Dichtungsflächenelement 76 auf.
Sowohl die Lagerabstützung 74 als
auch das abradierbare Dichtungsflächenelement 76 sind
integral mit dem Gehäuse 72 gebildet.
Die Lagerabstützung 74 nimmt
die Lageranordnung 66 auf und stützt sie ab. Das abradierbare
Dichtungsflächenelement 76 kooperiert
mit einer Labyrinthdichtung 78 an der Laufradnabe 44, um
den internen Luftströmungsweg
durch die Verdichteranordnung 10 gegen die Niederdruckhohlräume in dem
Verdichter abzustützen.
Das Gehäuse 72 weist
einen vorderen Flansch 80 auf, der mit einem hinteren Flansch 82 des
Induktors 18 verbunden ist zum Abstützen des Induktors 18.
Eine ringförmige
Diffusornut 84 ist in dem Gehäuse 72 und in der
gleichen radialen Ebene wie das Auslassende 64 gebildet.
Die Luftströmung
gelangt durch einen Rohrdiffusor 86, um schließlich mit
der Brennkammer der Maschine zu kommunizieren sowie um der nicht gezeigten
Verdichteranordnung Kühlung
zu verschaffen.
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Die
vordere Lageranordnung 68 stützt eine vordere Nabenverlängerung 88 ab,
um das Rotieren der Verdichterlaufradanordnung 16 zu erlauben.
Die vordere Lageranordnung 68 ist wiederum von einer vorderen
Lagerabstützung 90 auf genommen
und abgestützt,
die relativ zu einer stationären
Struktur des Verdichters, die nicht gezeigt ist, abgestützt ist.
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Der
Laufradkranz 30 weist ein strömungsaufwärtiges ringförmiges Segment 92 und
ein strömungsabwärtiges ringförmiges Segment 94 auf,
die axial voneinander beabstandet sind und einen umfangsmäßig kontinuierlichen
ununterbrochenen ringförmigen
Schlitz 96 zwischen den zwei Segmenten 92, 94 bilden.
Das strömungsaufwärtige ringförmige Segment 92 hat
einen zylinderförmigen
Bereich 98 und einen radialen Flansch 100, der
sich von dem zylinderförmigen
Bereich 98 nach außen
erstreckt. Das strömungsaufwärtige Ende
des zylinderförmigen
Bereichs 98 ist eng in die gestufte Schulter 26 des äußeren ringförmigen Kranzes 24 des
Induktors 18 gepasst und bildet das Einlassende 28 des
Laufradkranzes 30.
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Das
strömungsabwärtige Ende
des zylinderförmigen
Bereichs 98 hat eine kegelstumpfförmige Oberfläche 102,
die sich nach außen
und nach hinten erstreckt. Eine Mehrzahl von Öffnungen, die nicht gezeigt
sind, erstreckt sich durch den radialen Flansch 100 umfangsmäßig und
gleichmäßig beabstandet zum
Aufnehmen von Bolzen und Muttern 104.
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Die
Bolzen sind jeweils in nicht gezeigten Schraubenöffnungen in einer Mehrzahl
von Aufweitungen
106 befestigt, die umfangsmäßig an dem äußeren ringförmigen Kranz
24 an
dessen strömungsabwärtigen Ende
gebildet sind. Der zylinderförmige Bereich
98 des
strömungsaufwärtigen ringförmigen Segments
92 ist
relativ zur gesamten Länge
der äußeren Spitze
62 der
Laufradlaufschaufel
56 in axialer Länge kurz, und der ringförmige Schlitz
96 ist
deshalb an einer Position angeordnet, um ein Einströmen von
Luft von außerhalb
des Laufradkranz es
30 zu der Laufradkammer
54 unter
hohen Drehzahlbedingungen des Verdichterbetriebs zuzulassen und
einen Zapfen von Luftströmung
von der Laufradkammer
54 zu dem Äußeren des Laufradkranzes
30 zuzulassen,
wenn der Verdichter bei einer niedrigeren Drehzahl arbeitet, um
die Strömung
in dem Laufradrotor bei Teildrehzahlbetrieb zu stabilisieren, was
in US-Patent Nr.
4 248 566 beschrieben ist. Das
strömungsabwärtige ringförmige Segment
94 weist
einen konturierten Abschnitt
108 auf, der ein Hauptabschnitt
der inneren Oberfläche
36 des
Laufradkranzes
30 ist. Die innere Oberfläche
36 ist
zu der äußeren Spitze
62 der
Laufradlaufschaufel
56 konturiert. Das strömungsabwärtige ringförmige Segment
94 weist
ferner einen zylinderförmigen
Bereich
110 und einen Flansch
112 an dem strömungsabwärtigen Ende
davon auf, die von dem Gehäuse
72 in
auskragender Weise abzustützen
sind. Eine Mehrzahl von Öffnungen,
die nicht gezeigt sind, ist umfangsmäßig und gleichmäßig beabstandet
und erstreckt sich durch den Flansch
112 zum Aufnehmen
von Verbindungsschrauben
114. Eine Mehrzahl von korrespondierenden Öffnungen,
die nicht gezeigt sind, ist jeweils in einer Mehrzahl von Ausrundungen
116 vorgesehen,
die umfangsmäßig und
gleichmäßig voneinander
beabstandet sind, integral mit dem Gehäuse
72 gebildet sind
und mit dem Flansch
112 verbunden sind. Die Verbindungsschrauben
114 kooperieren
mit Muttern
118, um den Flansch
112 und die Ausrundungen
116 aneinander
zu befestigen. Die an dem Übergang
von dem konturierten Abschnitt
108 und dem zylinderförmigen Bereich
110 gebildete Ecke
120 definiert
das Auslassende
64 des Laufradkranzes
30.
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Das
strömungsabwärtige ringförmige Segment 94 definiert
einen Zaum an dem strömungsaufwärtigen Ende
mit einer Rampen-(kegelstumpfförmig)-Oberfläche 122 dar.
Die Rampenoberfläche 122 ist
parallel zur kegelstumpfförmigen
Oberfläche 102 des
strömungsaufwärtigen ringförmigen Segments 92 und
ist davon beabstandet, um den ringförmigen Schlitz 96 zu
bilden.
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Weil
das strömungsaufwärtige ringförmige Segment 92 an
dem Induktor 18 befestigt ist und das strömungsabwärtige ringförmige Segment 94 an
dem Gehäuse 72 befestigt
ist, gibt es kein Verbindungselement, welches direkt die zwei Segmente überbrückt, so
dass jedes Segment unabhängig
und selbsttragend an einem umfangsmäßigen Rand dem Schlitz beabstandet
ist. Somit strömt,
wenn der Verdichter in Betrieb ist, Luft durch den durchgehenden ringförmigen Schlitz 96,
ohne eine dynamische Komponente zu verursachen, um die Laufschaufeln
wie beschrieben zu beeinträchtigen.
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Die
das Äußere des
Laufradkranzes 30 umgebende Luft ist in Verbindung mit
der Umgebungsluft durch eine Mehrzahl von Öffnungen 124 in einem ringför migen Rahmen 126,
der sich von dem äußeren ringförmigen Kranz 24 des
Induktors 18 strömungsabwärts erstreckt,
um den hinteren Flansch 82 anzubringen. Der ringförmige Rahmen 126 ist
relativ entfernt von dem ringförmigen
Schlitz 96 angeordnet, und es steht ausreichend Luftvolumen
zwischen dem ringförmigen
Rahmen 126 und dem Äußeren des Laufradkranzes 30 zur
Verfügung,
um sämtliche
dynamischen Komponenten zu eliminieren, die, durch den ringförmigen Rahmen 126 verursacht
werden, wenn überhaupt
welche verursacht werden, die die Laufradlaufschaufel 56 beeinträchtigen
könnten, wenn
die Luft durch den ringförmigen
Schlitz 96 und die Öffnungen 124 strömt.
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Ein
hinteres Abstandselement 128 mit einer vorbestimmten Dicke
ist zwischen dem Flansch 112 des strömungsabwärtigen ringförmigen Segments 94 und
den Ausrundungen 116 des Gehäuses 72 an jeder Schraubverbindung
vorgesehen, um eine axiale Position des strömungsabwärtigen ringförmigen Segments 94 einzustellen.
Die innere Oberfläche 36 des Laufradkranzes 30 ist
in eng beabstandeter Relation zu den äußeren Spitzen 62 der
Laufradlaufschaufeln 56 eingestellt. Ein Abstandselement 130 vorbestimmter
Dicke ist zwischen jeder Aufweitung 106 und dem radialen
Flansch 100 des strömungsaufwärtigen ringförmigen Segments 92 vorgesehen.
Die axiale Position des strömungsaufwärtigen ringförmigen Segments 92 ist
durch die Auswahl der Dicke des Abstandselements 130 eingestellt,
so dass die Breite des ringförmigen
Schlitzes 96 eingestellt ist, abhängig von der Maschinenspezifikation,
welche durch die Verwendung einer speziellen Maschine festgelegt
ist, wenn die Position des strömungsabwärtigen ringförmigen Segments 94 fest
ist.
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Das
strömungsabwärtige ringförmige Segment 94 hat
eine kraterförmige
Gestalt und ist auskragend (lediglich durch den Flansch 112 abgestützt) und
hat eine passende Dicke, so dass das strömungsabwärtige ringförmige Segment 94 elastisch verformbar
ist, wenn sich der Luftdruck in der Laufradkammer 54 ändert und,
in der Folge, ändert
sich die Breite des ringförmigen
Schlitzes 96 in Reaktion auf die Änderungen im Luftdruck in der
Laufradkammer 54 während
des Betriebs des Verdichters. Der Zaum des strömungsabwärtigen ringförmigen Segments 94 kann
axial oder radial verlagert werden. Der ringförmige Schlitz 96 ist
zwischen der Endoberfläche 102 und
der Rampenoberfläche 122 an
dem Zaum definiert, so dass die Verlagerung des Zaums entweder in
eine axiale oder eine radiale Richtung die Änderung der Breite des Schlitzes 96 bewirkt.
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Die
Vorteile des einen, ringförmigen,
ununterbrochenen Schlitzes der Laufradzapfpassage werden nun beschrieben.
Der kontinuierliche ringförmige Einzelschlitz
vergleicht sich vorteilhaft mit einer Reihe von Zapföffnungen
beim Stand der Technik, weil eine Reihe von Öffnungen mit dem gleichen effektiven
Querschnitt einen größeren Durchmesser
als die Bereite des Einzelschlitzes haben müsste. Die Länge der äußeren Spitze der Laufschaufel,
korrespondierend zu der Breite der Laufschaufelpassage, die mit der
Breite der Laufschaufelpassage korrespondiert, ist aus der Perspektive
der Leistungseffizienz beeinflusst. Das Vorsehen einer minimal möglichen
Breite dieser Zapfpassage liefert deshalb auch die minimal mögliche Länge der äußeren Spitze
der Laufschaufel, die beeinflusst ist, und als Folge ist die Laufradleistung
verbessert.
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Die
Verwendung von selektiven Abstandselementen zum Einstellen der Breite
des ringförmigen Schlitzes
während
des Zusammenbaus des Verdichters erweitert diese Erfindung vorteilhaft
auf breitere Anwendungen und ermöglicht
es, unterschiedliche Maschinenanforderungen zu erfüllen. Wird
beispielsweise die Maschine an einem Flugzeug zum Antreiben des
Flugzeugs mittels eines Propellers verwendet wird, dann können die
Pump- und Druckänderungen
in dem Laufrad während
Leerlauf oder Reisegeschwindigkeit beträchtlich variieren. Wird andererseits
die Maschine als ein Hilfstriebwerk beispielsweise in einer Boeing
747 zum Antreiben der Hydraulikelemente und der elektrischen Verbraucher
verwendet, dann sind die Anforderungen ziemlich verschieden, und
der Schlitz kann anders eingestellt werden. Außerdem liefert das elastisch
verformbare strömungsabwärtige ringförmige Segment
ein selbstregulierendes Merkmal für die Laufradzapfpassage, d. h.
wenn der Druck in der Laufradkammer des Verdichters zunimmt, verringert
sich die Schlitzbreite.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die durch den Druckdifferenzzyklus
verursachte dynamische Komponente eliminiert ist, weil das strömungsaufwärtige und
das strömungsabwärtige ringförmige Segment
jeweils unabhängig und
selbsttragend an einem umfangsmäßigen Rand
dem Schlitz benachbart ist, ohne irgendwelche Brückenelemente, die den Schlitz überqueren,
was normalerweise den Druckdifferenzzyklus verursacht, wie vorangehend
beschrieben.
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Die
Struktur für
die ringförmige
Schlitzzapfpassage ist relativ einfach, verglichen mit dem Stand der
Technik, und weniger Bauteile und Teile müssen verwendet werden. Beispielsweise
fehlt bei der vorliegenden Erfindung eine O-Ringdichtung. Die O-Ringdichtung
wird im Stand der Technik verwendet, um eine Verfassungsverbindung
zwischen dem Induktor und dem Kranz abzudichten. Die O-Ringdichtung
hindert die von den Zapföffnungen
abgezapfte druckbeaufschlagte Luft daran, in das Einlassende des
Kranzes wieder einzutreten, um eine Wiederaufnahme zu bewirken.
Diese Wiederaufnahme bewirkt einen Laufradleistungsverlust. Da jedoch
das strömungsaufwärtige ringförmige Segment
des Kranzes bei der Erfindung sicher mit dem Induktor unter Verwendung
von Schraubenbefestigungen verbunden ist, ist der mögliche Spielraum
zwischen dem Einlassende des Kranzes und dem Induktor eliminiert.
Die einfache Struktur schafft eine Möglichkeit zum Verringern der
Herstellungskosten.