EP2337958A1 - Verdichter - Google Patents

Verdichter

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EP2337958A1
EP2337958A1 EP09760465A EP09760465A EP2337958A1 EP 2337958 A1 EP2337958 A1 EP 2337958A1 EP 09760465 A EP09760465 A EP 09760465A EP 09760465 A EP09760465 A EP 09760465A EP 2337958 A1 EP2337958 A1 EP 2337958A1
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EP
European Patent Office
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nozzle
nozzles
compressor
compressor according
liner segment
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EP09760465A
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English (en)
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EP2337958B1 (de
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Gottfried SCHÜTZ
Sven-J. Hiller
Yves Burgold
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids
    • F04D27/0215—Arrangements therefor, e.g. bleed or by-pass valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/684—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps by fluid injection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/60—Fluid transfer
    • F05B2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/601—Fluid transfer using an ejector or a jet pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities
    • F05D2270/101—Compressor surge or stall
    • F05D2270/102—Compressor surge or stall caused by working fluid flow velocity profile distortion

Definitions

  • the present invention relates to a compressor according to the Oberbe-handle of claim 1. Moreover, the present invention relates to an engine with a compressor.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a compressor with insufflation, as e.g. also known in the art.
  • Such a compressor compresses a compression medium, whereby the pressure of the medium increases.
  • the compressor has several stages consisting of alternately arranged rotors and stators.
  • the compressor has an outer housing 18, within which a housing segment 20 is arranged, which in turn - seen in the flow direction - is arranged upstream of a rotor 30 having blades. Between the outer housing 18 and the housing segment 20 is a pressure compensation chamber 12, the so-called. Plenum.
  • Such a compressor further rotors and stators, which are not shown in Fig. 1.
  • a compressor for the flow in the compressor in such a construction there is a risk of flow separation, since the flow of the compression medium must run against an increasing pressure. If a flow break occurs in one or more stages of the compressor, a massive drop in performance occurs in the compressor. The compressor then tends to pump because the flow on the wall no longer has sufficient kinetic energy to cope with the pressure increase.
  • compressor pumping can be counteracted by various measures. It is known that the compressor pumps can be delayed when throttling a compressor by blowing in the housing area.
  • One measure here is the design of deflecting nozzles, the so-called injection nozzles, on the housing edge region (in the liner segments), which blow an air flow to the rotor wall whose blowing direction is deflected towards the rotor wall (wall-parallel) with swirl generation.
  • This deflection of the air flow in the nozzles takes place in the axial direction and in the circumferential direction of the compressor.
  • these injection nozzles consist of simple slots which pass through the liner segment in such a way that the discharge end faces the rotor.
  • round and flattened injection nozzles are also used.
  • this object is achieved by a compressor with the features of claim 1.
  • the object is achieved by an engine having the features of claim 10.
  • the installation space of the nozzles can be reduced and / or a stronger deflection than in the conventional slot solution can be realized.
  • the compressor according to the invention according to claim 2 allows for a small installation space in the liner segment to form a suitable deflection. Since small individual nozzles (individual channels) are formed, even an even stronger deflection can be selected in comparison to the conventional slot solution, without having to worry about crossflows.
  • the compressor according to the invention according to claim 3 allows for a small installation space an advantageous inflow from the pressure chamber into the individual nozzles, and supports a strong deflection in the nozzle.
  • the compressor according to the invention according to claim 5 leads to a slit-like outflow taking advantage of the individual nozzles. As a result, a flat flow can be effected.
  • the compressor according to the invention according to claim 6 allows a high volume flow by taking advantage of the individual nozzles.
  • the compressor according to the invention according to claim 7 enables an improvement of the flow behavior of the main flow at the rotor on the rotor wall.
  • the compressor according to the invention according to claim 8 allows a flexible desired air discharge in the compressor.
  • the compressor according to the invention according to claim 9 allows better protection against stall along the circumference of the compressor.
  • the compressor according to the invention according to claim 10 allows a cost-effective production of the compressor.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a compressor with insufflation, as e.g. also known in the art.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through a compressor according to the invention.
  • Fig. 3 is an illustration of a circumferential development of a liner segment according to an embodiment of the present invention as compared with a conventional structure.
  • Fig. 4 shows velocity profiles.
  • Fig. 5 shows a perspective view in partial section of an end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention, wherein the nozzle inlet is shown.
  • Fig. 6 shows a perspective view in partial section of an end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention, wherein the nozzle exit is shown.
  • Fig. 7 shows a perspective sectional view of an end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention, wherein the nozzles are shown cut away.
  • FIG. 8 is a perspective sectional view of an end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention, wherein the nozzles are shown cut away as viewed from a direction other than in FIG. 7.
  • FIG. 9 shows a perspective sectional illustration for illustrating the nozzle deflection in the liner segment according to the exemplary embodiment of the present invention, wherein the nozzles are shown cut away.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through a compressor according to the invention.
  • the compressor has an outer casing 111 within which is disposed a segment 120 (a so-called liner segment) disposed upstream of a rotor (not shown) having blades.
  • the so-called plenum 112 is located between the outer housing 111 and the liner segment 120.
  • the liner segment 120 engages on the outer housing 111 via a so-called housing hook 116.
  • the housing hook 116 the end portion of the liner segment 120 is defined.
  • a pocket 115 is formed on the outer housing 111 facing the plenum 112 in the region of the end portion of the liner segment 120.
  • blow-in channels 122 are formed with nozzles 123 (see FIG. 8), the inlet region of which faces the pocket 115 of the outer housing 111 and its exit region faces the rotor (in FIG. 2, the blade of the rotor below the liner segment 120 indicated).
  • the nozzles 123 are provided as a nozzle group in the end portion of the liner segment 120, in the present embodiment, a respective group of nozzles 123 is formed in the end portion of the liner segment 120 by five nozzles 123 which are aligned adjacent to each other in the circumferential direction of the liner segment 120.
  • Several nozzle groups according to the invention may be provided on the liner segment.
  • FIG. 3 is an illustration of a circumferential development of a liner segment 120 as viewed from the annulus on the liner segment according to an embodiment of the present invention as compared with a conventional structure.
  • the nozzle group of five nozzles 123 of the present embodiment is designed as a so-called fan nozzle. As clearly seen in Fig. 3, the nozzle group of five nozzles 123 of the present embodiment corresponds to a conventional slot nozzle. The operation of the compressor according to the invention is described below.
  • an air flow is introduced into the pressure chamber 112 (the so-called plenum) via an air supply pipe 110 arranged on the outer housing 111 by means of a flange 113. Air passes through the pocket 115 into the inlet region of the nozzles 123, which is blown in via the nozzle outlet toward the rotor 30.
  • Fig. 4 shows velocity profiles.
  • the speed profile previously is shown in dashed lines, wherein the speed decrease of the compressor flow is recognizable on the housing wall.
  • the speed profile afterwards is shown solid.
  • the increased speed on the housing wall caused by the fan nozzle according to the invention can be seen.
  • Fig. 5 shows a perspective view in partial section of an end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention, wherein the nozzle inlet is shown.
  • the inlet region of the group formed as a fan nozzle nozzles 123 is formed so that it faces the pocket 115 in the housing 111.
  • the five nozzles per nozzle group used in this embodiment have a quadrangular cross section in the inlet area.
  • Fig. 6 shows a perspective view in partial section of an end portion of a liner segment according to the exemplary embodiment of the present invention, wherein the nozzle outlet is shown.
  • Figs. 7 and 8 respectively show perspective sectional views of the end portion of a liner segment according to the embodiment of the present invention. The nozzles are each shown cut.
  • FIG. 8 shows an illustration viewed from a different direction than in FIG. 7.
  • the many individual nozzles are arranged close to each other. According to the embodiment, the wall web between two adjacent individual nozzles is even smaller than the width of a single nozzle. The many individual nozzles thus form a compact configuration.
  • FIGS. 7 and 8 not only the group formed as a fan nozzle is shown cut open at nozzles (individual nozzles) 123, but also the core of the fan nozzle is shown perspectivically by reference numeral 123A. The deflection in the respective nozzle is clearly visible. The nozzle inlet is at an angle to the nozzle exit. In Fig. 8, the nozzle deflection is designed in the axial direction.
  • FIG. 9 shows a perspective sectional illustration for illustrating the nozzle deflection in the liner segment according to the exemplary embodiment of the present invention, wherein the nozzles are shown cut away.
  • the entrance area of the respective nozzle 122 has an entrance twist, which results from the angle of the entry area to the vertical of the tangent at the nozzle entrance.
  • the exit area of the respective nozzle 122 has an exit spin resulting from the angle of the exit area to the perpendicular of the tangent to the nozzle exit. As shown in Fig. 9, in this embodiment, the entrance spin is smaller than the exit spin.
  • the inlet region and the outlet region meet in the deflection region, in which the injection direction is deflected.
  • the fan nozzle according to the invention makes it possible to produce the liner segment, e.g. as a casting or by so-called rapid prototyping.
  • a group of several small individual nozzles is used, which realize the same or a stronger deflection. Due to the compact configuration of the many individual nozzles, the overall effect is comparable to the effect of a large single nozzle (eg the conventional slot nozzle) near the nozzle.
  • the entrance swirl reduces the required deflection and the installation space of the nozzle.
  • the design with individual channels allows almost any spatial guidance of the individual nozzles, so that there is a high degree of design diversity according to the different technical requirements.
  • a larger deflection angle i. a greater difference between entry angle and exit angle can be realized without fear of flow separation or compressor pumps.
  • the fan nozzle according to the invention thus enables a strong radial deflection and / or circumferential deflection in the smallest space. This makes it ideal for use in liner segments.
  • Düsenauseriesöfmungen 125 radial offset, axial offset and / or circumferential offset
  • a desired speed or swirl profile of the air flow can be adjusted in the vicinity of the nozzle on the housing wall (eg a free jet with a twist).
  • a special desired wall-normal velocity profile can be set for flush-mounted injection.
  • the fan nozzle according to the invention even allows deflections, which lead to an outlet blowing flow, which is directed approximately flush to the outlet nozzle wall.
  • the flow cross section of the fan nozzles is formed in the above-described exemplary embodiment in a quadrangular shape. He can take a square or a rectangular shape. The rectangular shape facilitates slit-like bubbles. In another exemplary embodiment, the flow cross section of the fan nozzles may be formed in an oval or circular shape.
  • five individual nozzles 123 form a group of nozzles.
  • a nozzle group may also be defined by e.g. three, four or six nozzles 123 are formed. The number is not limited as long as several individual nozzles are used.
  • the nozzle deflection is designed in the axial direction.
  • the nozzle deflection can also be designed in the circumferential direction and / or in the axial direction.
  • the fan nozzle according to the invention is provided with an entrance swirl.
  • the invention is not limited thereto.
  • the fan nozzle according to the invention can also be provided without an inlet twist.

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Abstract

Es ist ein Verdichter offenbart, der einen Einströmkanal zum Einleiten eines Verdichtungsmediums in ein Verdichtergehäuse, einen innerhalb des Verdichtergehäuses ausgebildeten Druckraum, und ein Linersegment mit Düsen, die das Verdichtungsmedium vom Druckraum an einen Rotor weitergeben, aufweist. Die Düsen sind im Linersegment als eine Vielzahl an in einer Gruppe fächerartig angeordneten Düsen ausgebildet.

Description

Verdichter
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbe-griff von Anspruch 1. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Triebwerk mit einem Verdichter.
Technisches Problem
Zunächst ist der Grundaufbau eines solchen Verdichters erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipsskizze eines Verdichters mit Einblasung, wie er z.B. auch im Stand der Technik bekannt ist.
Ein solcher Verdichter verdichtet ein Verdichtungsmedium, wobei sich der Druck des Mediums dabei erhöht. Zum Erreichen von hohen Drücken weist der Verdichter mehre- re Stufen auf, die aus abwechselnd angeordneten Rotoren und Statoren bestehen.
Der Verdichter weist ein Außengehäuse 18 auf, innerhalb dem ein Gehäusesegment 20 angeordnet ist, das wiederum - in Strömungsrichtung gesehen - stromaufwärtig von einem Rotor 30 angeordnet ist, der Schaufeln aufweist. Zwischen dem Außengehäuse 18 und dem Gehäusesegment 20 befindet sich eine Druckausgleichskammer 12, das sog. Plenum.
Bei diesem Verdichter wird ein Luftstrom über ein am Außengehäuse 18 angeordnetes Luftzuführrohr 10 in die Druckausgleichskammer 12 eingebracht, womit sich ein hoher Druck in dieser Kammer 12 aufbaut. Durch im Gehäusesegment 20 angebrachte Düsen wird Luft zum Rotor 30 hin eingeblasen. Im Rotorraum herrscht dabei ein relativ niedriger Druck. Die Rotorlaufrichtung ist in Fig. 1 anhand eines Pfeils angedeutet.
Darüber hinaus weist ein solcher Verdichter weitere Rotoren und Statoren auf, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind. Für die Strömung im Verdichter besteht bei einem solchen Aufbau die Gefahr einer Strömungsablösung, da die Strömung des Verdichtungsmediums gegen einen ansteigenden Druck laufen muss. Tritt ein StrÖmungsabriss in einer oder in mehreren Stufen des Verdichters auf, ergibt sich ein massiver Leistungsäbfall im Verdichter. Der Ver- dichter neigt dann zu einem sog. Pumpen, da die Strömung an der Wandung keine ausreichende kinetische Energie mehr besitzt, um den Druckanstieg zu bewältigen.
Dem Einsetzen dieses sog. Verdichterpumpens kann durch verschiedene Maßnahmen begegnet werden. Es ist bekannt, dass das Verdichterpumpen beim Androsseln eines Verdichters durch Einblasung im Gehäusebereich verzögert werden kann.
Eine Maßnahme ist dabei die Gestaltung von umlenkenden Düsen, den sog. Einblasdü- sen, am Gehäuserandbereich (in den Linersegmenten), die zur Rotorwand einen zugeführten Luftstrom hin blasen, dessen Blasrichtung zur Rotorwand hin (wandparallel) - mit Drallerzeugung - umgelenkt wird. Diese Umlenkung des Luftstroms in den Düsen erfolgt in Achsrichtung und in Umfangsrichtung des Verdichters. Durch ein spezifisches Gestalten der Einblasdüsen kann das Einsetzen des Verdichterpumpens im Vergleich zu anderen herkömmlichen Lösungen deutlich verzögert werden.
In der Regel bestehen diese Einblasdüsen aus einfachen Schlitzen, die das Linersegment so durchlaufen, dass das Ausblasende dem Rotor zugewandt ist. Darüber hinaus werden auch runde und abgeflachte Einblasdüsen angewendet.
Der Einbauraum dieser umlenkenden Einblasdüsen, d.h. im Linersegment, ist dabei sehr beschränkt, somit ergibt ein hoher Umlenkgrad (starke Umlenkung). Der Einbauraum bleibt auch in dem Fall, in dem in den darüber befindlichen Ringraum (Druckraum) hineingebaut wird, sehr beschränkt. Außerdem wird dadurch eine zusätzliche Versperrung bewirkt und die Umlenkung bleibt hoch.
Bei herkömmlichen Konfigurationen ergeben sich dabei Freistrahlen, deren Ausbreitungsverhalten (d.h. die Richtung, die Geschwindigkeits- und Drallverteilung) gar nicht oder nur schwer beeinflussbar ist.
Kanäle und Düsen mit großer Querschnittsfläche und starker Umlenkung neigen somit zur Ausbildung starker dreidimensionaler Querströmungen innerhalb der Düsenkern- strömung, die bis zur Strömungsablösung führen kann. Somit tritt jedoch in diesen herkömmlichen Einblasdüsen das Problem auf, dass eine starke räumliche Umlenkung, d.h. ein großer Unterschied zwischen dem Eintrittswinkel und dem Austrittswinkel der Einblasdüse kaum realisierbar ist, da sich dann starke Querströmungen ergeben, die wiederum zu Strömungsablösungen innerhalb der Düse führen.
Die Rückwirkung einer quer gerichteten Außenströmung am Düsenaustritt auf die Dü- senkernströmung ist sehr stark, wenn das Verhältnis aus Länge zu Durchmesser gering ist (ca. l/d < 3 ... 5).
Außerdem ist es bei kleinen Düsenquerschnitten nahezu unmöglich, Drallerzeuger in die Düse zu integrieren.
Aufgabe der Erfindung
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verdichter, bei dem die Einblasung vorteilhaft gestaltet ist, und ein verbessertes Triebwerk zu schaffen.
Im Hinblick auf den Verdichter ist diese Aufgabe durch einen Verdichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Im Hinblick auf das Triebwerk ist die Aufgabe durch ein Triebwerk mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 1 ergibt sich eine sog. Fächerdüse mit einer Vielzahl an kleinen Einzeldüsen. In diesem Aufbau realisieren im Vergleich zur herkömmlichen Schlitzlösung mehrere kleine Einzeldüsen, die den Schlitz ersetzen, das Einblasen in den Rotorraum. In den kleinen Einzeldüsen ist das Vermeiden von störenden Querströmungen viel besser realisierbar. Die Einzeldüsen sind weitgehend frei von Querströmungen. Dadurch wird eine starke radiale Umlenkung und/oder Umfangsumlenkung möglich, ohne dass sich frühzeitig Strömungsablösungen ergeben.
Dadurch kann wiederum der Einbauraum der Düsen verkleinert und/oder eine stärkere Umlenkung als bei der herkömmlichen Schlitzlösung verwirklicht werden. Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 2 ermöglicht bei kleinem Einbauraum im Linersegment das Ausbilden einer geeigneten Umlenkung. Da kleine Einzeldüsen (Einzelkanäle) ausgebildet sind, kann im Vergleich zur herkömmlichen Schlitzlösung sogar eine noch stärkere Umlenkung gewählt werden, ohne Querströmungen befürchten zu müssen.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 3 ermöglicht bei kleinem Einbauraum ein vorteilhaftes Einströmen vom Druckraum in die Einzeldüsen, und unterstützt eine starke Umlenkung in der Düse.
Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 4 ist die Flexibilität des Einsatzortes erhöht.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 5 fuhrt zu einem schlitzähnlichen Ausströmen unter Ausnutzen des Vorteils der Einzeldüsen. Dadurch kann eine flächige Strömung bewirkt werden.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 6 ermöglicht einen hohen Volumenstrom unter Ausnutzen des Vorteils der Einzeldüsen.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 7 ermöglicht eine Verbesserung des Strömungsverhaltens der Hauptströmung beim Rotor an der Rotorwand.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 8 ermöglicht eine flexible wunsch- gemäße Luftabgabe im Verdichter.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 9 ermöglicht einen besseren Schutz gegenüber einem Strömungsabriss entlang des Umfangs des Verdichters.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 10 ermöglicht ein kostengünstiges Herstellen des Verdichters.
Das erfindungsgemäße Triebwerk nach Anspruch 11 nutzt diese Vorteile eines Verdich- ters. Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen genauer erläutert. Zur besseren Veranschaulichung einiger Aspekte der Ausfuhrungsbeispiele sind Zeichnungen beigefügt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Prinzipsskizze eines Verdichters mit Einblasung, wie er z.B. auch im Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Umfangsabwicklung eines Linersegments gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau.
Fig. 4 zeigt Geschwindigkeitsprofile.
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Düseneintritt dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Düsenaustritt dargestellt ist.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Düsen aufgeschnitten dargestellt sind.
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Düsen aufgeschnitten dargestellt sind, unter Betrachtung aus einer anderen Richtung als in Fig. 7.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der Düsen- umlenkung im Linersegment gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Düsen aufgeschnitten dargestellt sind. Ausfiihrliche Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Nachstehend ist ein Ausfuhrungsbeispiel der, vorliegenden Erfindung unter Bezugnah- me auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter.
Zunächst ist der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.
Der Verdichter weist ein Außengehäuse 111 auf, innerhalb dem ein Segment 120 (ein sog. Linersegment) angeordnet ist, das stromaufwärtig von einem (nicht dargestelltem) Rotor angeordnet ist, der Laufschaufeln aufweist. Zwischen dem Außengehäuse 111 und dem Linersegment 120 befindet sich das sog. Plenum 112. Über einen sog. Gehäu- sehaken 116 ist das Linersegment 120 am Außengehäuse 111 in Eingriff. Am Gehäusehaken 116 ist der Endabschnitt des Linersegments 120 definiert. Am Außengehäuse 111 ist dem Plenum 112 zugewandt im Bereich des Endabschnitts des Linersegments 120 eine Tasche 115 ausgebildet.
Im Endabschnitt des Linersegments 120 sind sog. Einblaskanäle 122 mit Düsen 123 (siehe Fig. 8) ausgebildet, deren Eintrittsbereich der Tasche 115 des Außengehäuses 111 zugewandt ist und deren Austrittsbereich dem Rotor (in Fig. 2 ist die Laufschaufel des Rotors unterhalb des Linersegments 120 angedeutet) zugewandt ist.
Die Düsen 123 sind als Düsengruppe im Endabschnitt des Linersegments 120 vorgesehen, hn vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine jeweilige Gruppe an Düsen 123 im Endabschnitt des Linersegments 120 durch fünf Düsen 123 gebildet, die nahe beieinander benachbart in Umfangsrichtung des Linersegments 120 ausgerichtet sind. Es können mehrere erfindungsgemäße Düsengruppen am Linersegment vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer Umfangsabwicklung eines Linersegments 120 unter Betrachtung vom Ringraum auf das Linersegment gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau. Die Düsengruppe aus fünf Düsen 123 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist dabei als sog. Fächerdüse ausgebildet. Wie in Fig. 3 deutlich zu sehen, entspricht die Düsengruppe aus fünf Düsen 123 des vorliegenden Ausführungsbeispiels einer herkömmlichen Schlitzdüse. Nachstehend ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.
Bei diesem Verdichter wird ein Luftstrom über ein am Außengehäuse 111 mittels Flansch 113 angeordnetes Luftzufuhrrohr 110 in die Druckkammer 112 (das sog. Plenum) eingebracht. Über die Tasche 115 gelangt Luft in den Eintrittsbereich der Düsen 123, die über den Düsenaustritt zum Rotor 30 hin eingeblasen wird.
Fig. 4 zeigt Geschwindigkeitsprofile.
Das Geschwindigkeitsprofil vorher ist gestrichelt dargestellt, wobei die Geschwindigkeitsabnahme der Verdichterströmung an der Gehäusewand erkennbar ist. Das Ge- schwindigkeitsprofile nachher ist durchgezogen gezeigt. Die von der erfindungsgemäßen Fächerdüse bewirkte erhöhte Geschwindigkeit an der Gehäusewand ist erkennbar.
Details des Ausfuhrungsbeispiels
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Düseneintritt dargestellt ist.
An der Oberseite des schmalen Linersegments, die dem Plenum 112 zugewandt ist, ist der Eintrittsbereich der als Fächerdüse ausgebildete Gruppe an Düsen 123 so ausgebildet, dass er der Tasche 115 im Gehäuse 111 zugewandt ist. Die bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel verwendeten fünf Düsen pro Düsengruppe haben einen viereckigen Querschnitt im Eintrittsbereich.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung im Teilschnitt eines Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Düsenaustritt dargestellt ist.
An der Unterseite des Linersegments, die dem Plenum 112 abgewandt ist, ist der Austrittsbereich der als Fächerdüse ausgebildete Gruppe an Düsen 123 so ausgebildet, dass er dem Rotor zugewandt ist. Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten fünf Dü- sen pro Düsengruppe haben einen viereckigen Querschnitt durchgehend vom Eintrittsbereich bis zum Austrittsbereich. Die Fig. 7 und 8 zeigen jeweils perspektivische Schnittdarstellungen des Endabschnitts eines Linersegments gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Düsen sind jeweils aufgeschnitten dargestellt.
Fig. 8 zeigt dabei eine Darstellung unter Betrachtung aus einer anderen Richtung als in Fig. 7.
Die vielen Einzeldüsen sind nahe beieinander angeordnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Wandsteg zwischen zwei benachbarten Einzeldüsen sogar kleiner als die Breite einer Einzeldüse. Die vielen Einzeldüsen bilden somit eine kompakte Konfiguration.
In den Fig. 7 und 8 ist nicht nur die als Fächerdüse ausgebildete Gruppe an Düsen (Einzeldüsen) 123 aufgeschnitten gezeigt, sondern auch der Kern der Fächerdüse perspekti- visch mit dem Bezugszeichen 123A dargestellt. Die Umlenkung in der jeweiligen Düse ist hierbei deutlich zu sehen. Der Düseneintritt steht winklig zum Düsenaustritt. In Fig. 8 ist die Düsenumlenkung in Achsrichtung gestaltet.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der Düsen- umlenkung im Linersegment gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Düsen aufgeschnitten dargestellt sind.
Der Eintrittsbereich der jeweiligen Düse 122 hat einen Eintrittsdrall, der sich aus dem Winkel des Eintrittsbereichs zur Senkrechten der Tangente am Düseneingang ergibt. Der Austrittsbereich der jeweiligen Düse 122 hat einen Austrittsdrall, der sich aus dem Winkel des Austrittsbereichs zur Senkrechten der Tangente am Düsenausgang ergibt. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Eintrittsdrall kleiner als der Austrittsdrall. In der Düse 122 treffen der Eintrittsbereich und der Austrittsbereich im Umlenkbereich aufeinander, in welchem die Einblasrichtung umgelenkt wird.
Die erfindungsgemäße Fächerdüse ermöglicht eine Herstellung des Linersegments z.B. als Gussteil oder auch per sog. Rapid Prototyping.
Vorteile der Erfindung
Statt einer einzelnen stark umlenkenden Einzeldüse wird eine Gruppe an mehreren kleinen Einzeldüsen eingesetzt, die die selbe oder eine stärkere Umlenkung verwirklichen. Durch die kompakte Konfiguration der vielen Einzeldüsen ist die Gesamtwirkung vergleichbar mit der Wirkung einer großen Einzeldüse (z. B. die herkömmliche Schlitzdüse) in Düsennähe. Der Eintrittsdrall reduziert die erforderliche Umlenkung und den Bauraum der Düse.
Aufgrund des großen Verhältnisses zwischen Länge und Querschnitt der erfindungsgemäßen kleindurchmessrigen Einzeldüsen sind diese weitgehend frei von störenden Querströmungen.
Die Bauweise mit Einzelkanälen ermöglicht eine nahezu beliebige räumliche Führung der Einzeldüsen, so dass sich eine hohe Gestaltungsvielfalt entsprechend den unterschiedlichsten technischen Anforderungen ergibt.
Somit kann im Gegensatz zu einer Gestaltung mit einer konventionellen Schlitzdüse (siehe Vergleich in Fig. 3) bei der Lösung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein größere Umlenkwinkel d.h. eine größere Differenz zwischen Eintrittswinkel und Austrittswinkel realisiert werden, ohne eine Strömungsablösung oder ein Verdichterpumpen befürchten zu müssen.
Der zusätzliche Druckverlust durch die größere Wandreibung (größere benetzte Fläche) kann in vielen Fällen toleriert werden.
Die erfindungsgemäße Fächerdüse ermöglicht somit eine starke radiale Umlenkung und/oder Umfangsumlenkung auf kleinstem Raum. Somit ist sie für den Einsatz in Li- nersegmenten bestens geeignet.
Durch eine spezielle Gestaltung der Düsenaustrittsöfmungen 125 (radialer Versatz, axialer Versatz und/oder Umfangsversatz) lassen sich beliebige Geschwindigkeits- und Drallverteilungen in Gehäusewandnähe erzeugen. D.h. aufgrund der räumlichen Lage (radiale und/oder axiale Stufung) der Düsenaustrittsöfmungen 125 zueinander kann ein gewünschtes Geschwindigkeits- oder Drallprofil des Luftstroms in Düsennähe an der Gehäusewand eingestellt werden (z.B. ein Freistrahl mit Drall). Bei einer radialen- axialen Stuf ung mit angepasstem Austrittswinkel der Einzeldüsen kann ein spezielles erwünschtes wandnormales Geschwindigkeitsprofil bei wandbündiger Einblasung ein- gestellt werden. Bei einer Umfangsspreizung der Verteilung der Düsenaustrittsöffhungen 125 der Einzeldüsen 123 lassen sich somit schlitzförmige Geschwindigkeits Verteilungen oder eine Vergleichmäßigung der Strahlgeschwindigkeiten in Umfangsrichtung erzielen.
Die erfindungsgemäße Fächerdüse ermöglicht sogar Umlenkungen, die zu einer Austrittsblasströmung führen, die annähernd bündig zur Austrittsdüsenwand gerichtet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Fächerdüse ist daher das vorstehend genannte Problem der Strömungsablösung minimiert.
Alternativen
Der Strömungsquerschnitt der Fächerdüsen ist im vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel in viereckiger Form ausgebildet. Dabei kann er eine quadratische oder eine rechteckige Form einnehmen. Die rechteckige Form erleichtert ein schlitzähnliches Blasen. In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel kann der Strömungsquerschnitt der Fächerdüsen in ovaler oder kreisartiger Form ausgebildet sein.
Im vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel bilden fünf Einzeldüsen 123 eine Gruppe an Düsen. Eine Düsengruppe kann auch durch z.B. drei, vier oder sechs Düsen 123 gebildet werden. Die Zahl ist nicht beschränkt, solange mehrere Einzeldüsen angewendet werden.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist, wie in Fig. 8 besonders gut dar- gestellt, die Düsenumlenkung in Achsrichtung gestaltet. Die Düsenumlenkung kann auch in Umfangsrichtung und/oder in Achsrichtung gestaltet sein.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Fächerdüse mit einem Eintrittsdrall versehen. Die Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Die erfin- dungsgemäße Fächerdüse kann auch ohne einen Eintrittsdrall vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter mit einem Einströmkanal (110), der ein Verdichtungsmedium in einen innerhalb eines Verdichtergehäuses (111) ausgebildeten Druckraum (112) einleitet, und einem Linersegment (120) mit Düsen (123), die das Verdichtungsmedium vom Druckraum (112) an einen Rotor weitergeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (123) im Linersegment (120) als eine Vielzahl an in einer Gruppe fächerartig angeordneten Einzeldüsen ausgebildet sind.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (123) einen Eintrittsabschnitt (124) und einen Austrittsabschnitt (125) aufweist, die unter einem Winkel zueinander stehen.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (123) einen Eintrittsabschnitt (124) mit einem Eintrittsdrall aufweist.
4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (123) einen Eintrittsabschnitt (124) ohne Eintrittsdrall aufweist.
5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wandsteg zwischen zwei benachbarten Einzeldüsen (123) kleiner als die Breite einer Einzeldüse ist.
6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils fünf Düsen (123) eine Gruppe an Düsen bilden.
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsabschnitt (125) so gestaltet ist, dass die Umlenkung zwischen Eintrittsabschnitt (124) und einen Austrittsabschnitt (125) zu einer Austrittsblasströmung führt, die annähernd bündig zur Austrittsdüsenwand gerichtet ist.
8. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenumlenkung in Achsrichtung und/oder Umfangsrichtung des Verdichters erfolgt.
9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen an Einzeldüsen (123) im Linersegment (120) entlang des Um- fangs des Linersegments (120) ausgebildet sind.
10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Linersegment (120) mit den Einzeldüsen als Gussteil hergestellt ist.
11. Triebwerk mit einem Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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