EP2399034A1 - Verdichter mit leitgitter mit radial veränderlicher abströmung - Google Patents

Verdichter mit leitgitter mit radial veränderlicher abströmung

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Publication number
EP2399034A1
EP2399034A1 EP10710173A EP10710173A EP2399034A1 EP 2399034 A1 EP2399034 A1 EP 2399034A1 EP 10710173 A EP10710173 A EP 10710173A EP 10710173 A EP10710173 A EP 10710173A EP 2399034 A1 EP2399034 A1 EP 2399034A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
hub
housing
guide grid
adjustable
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10710173A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Selmeier
Hermann Klingels
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2399034A1 publication Critical patent/EP2399034A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0246—Surge control by varying geometry within the pumps, e.g. by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F04D29/544—Blade shapes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F05D2220/30—Application in turbines
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    • 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 preamble of claims 1, 2, 6 or 7.
  • the present invention relates to an engine with a compressor.
  • Such a compressor compresses a compression medium, whereby the pressure of the medium increases.
  • the compressor has several stages, which consist of alternately arranged rotors and stators or so-called. Leitgitter.
  • the compressor usually has an inlet guide grid in the flow direction and a rotor (with rotor blades) downstream of the inlet guide grid. This rotor is again followed by a stator and this again a rotor, etc.
  • the vanes of the guide vanes and rotors are arranged between a housing and a hub of the compressor.
  • the guide gratings in particular the inlet guide grille, are usually designed to be adjustable in order to be able to change the outflow angle. This adjustment is usually achieved by turning the Leitgitter selfishl. This rotation leads to an adaptation of the ratio of the flow area effectively available at the compressor inlet and outlet to a changed pressure ratio of the compressor.
  • the Leitgitter Olivel be twisted as a whole as a rigid body.
  • the outflow angle of the guide grid is changed in a first approximation radially constant.
  • a grille wing has a load-bearing inner body, which is surrounded by a jacket. Between the inner body and the jacket actuator mechanisms are arranged, which can change the shape of the shell. The lattice blade is changed in the radial direction as a whole.
  • the compressor which is usually designed for full-load operation, can be switched to a part-load operation in which other flow conditions prevail.
  • housing installations can have a stabilizing effect.
  • the guide grid is divided in the extension direction from housing to hub in two or more relatively adjustable sections. According to the compressor according to the invention according to claim 6 and 7 leaves the guide grid in the extension direction from housing to hub a free space, the flow let pass in a significant degree.
  • the inflow from the guide grid to the following rotor along the extension direction of a Leitgitterulatels (radial) can be designed differently.
  • the outflow angle of the guide grid on the housing side can be changed more than on the hub side. This leads to a reduced displacement of the mass flow at the outlet of the rotor. This in turn leads to a discharge of the following grating and in particular the following rotor.
  • the compressor has a larger surge margin.
  • the compressor according to the invention according to claim 3 allows a technically simple adjustability of the Leitgitterabroughe.
  • a Leitgitterabêt can be relatively adjusted, which is not adjacent to the hub or housing. This allows a subdivision into a plurality of relatively variable Leitgitterabêten in the radial direction. Thus, many finely graduated flow differences between the housing and hub can be effected.
  • the compressor according to the invention according to claim 8 allows the hub side is relieved in a very simple manner.
  • the compressor according to the invention according to claim 9 allows the housing side is relieved in a very simple manner, should this be necessary.
  • the compressor according to the invention according to claim 10 allows, in particular, the first rotor undergoes a flow improvement behind the Eintittsleitgitter.
  • the compressors according to the invention according to claim 11 and 12 allow a desired driving a specific Leitgitterabiteses.
  • the engine according to the invention according to claim 13 utilizes these advantages of a compressor.
  • Fig. 1 shows an effective diagram of a compressor with a radially constant change in the outflow angle, as is known from the prior art.
  • FIG. 2 shows an effective diagram of a compressor according to the invention with a radially variable change in the outflow angle.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a variant according to the invention with a shortened guide-grid vane and a free space.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a variant according to the invention in the flow direction with a two-part guide grid with a fixed part and an adjustable part with a shortened guide-grid vane and a free space.
  • FIG. 5 shows an effective diagram of the structure of FIG. 3.
  • FIG. 6 shows an outline of the structure of FIG. 4.
  • the compressor has an inlet guide grille in the flow direction and a rotor connected downstream of the inlet guide grate. This rotor is again followed by a guide grid and this again a rotor, etc.
  • the guide vanes and rotors are arranged between a housing and a hub of the compressor.
  • the hub of the compressor may be a rotary body of the rotor or a non-rotating support portion which is separate from the rotor body. Both structures are known from the prior art.
  • the compressor according to the invention has an adjustable guide grid, which is divided into two sections in the extension direction from housing to hub (radially). These two Leitradabitese can be adjusted relative to each other.
  • the adjustment can be effected by turning by twisting mechanism, as is known from DE 36 24 951.
  • the present invention is not limited to a specific type of adjusting mechanism.
  • the adjustment can also be effected by changing the shell shape by means of an actuator mechanism, as is known from EP 1 898 055, or by inflatable chambers, as is known from DE 102 56 008. Further adjustment mechanisms are also conceivable, it is only important that a relative rotation of the Leitradabitese can be realized radially.
  • a stator portion may be adjusted from the housing side, while the other stator portion from the hub side of e.g. can be adjusted by microactuators.
  • the compressor according to the invention has a guide grid according to the so-called tandem construction, which has two in the flow direction substantially one behind the other arranged individual grid, one of which is independent of the other for changing the outflow angle adjustable. It can but also both Einzelleitgitter be adjustable, as is known from DE 36 24 951.
  • a Einzelleitgitt is divided in the extension direction from housing to hub in two mutually adjustable sections, wherein both Einzelleitgitter can be divided in each case in the extension direction from housing to hub in two mutually adjustable sections.
  • the compressor according to the invention has an adjustable grid for changing the outflow angle, which is shortened in the extension direction from housing to hub and leaves a free space to the hub.
  • the compressor according to the invention again has a trough-type guide grille similar to the second embodiment.
  • One of the Einzelleitgitter preferably the rear in the flow direction Einzelleitgitter is shortened in the extension direction from housing to hub and leaves a free space to the hub.
  • the clearance has such a size that the flow can pass to a substantial extent.
  • the clearance can be eg 1 A, half or 3 A of the total length between the housing and the hub.
  • the free space length can also be selected as desired.
  • the guide grid is radially divided into sections.
  • the outlet angle at the hub area can be set differently than at the housing area.
  • an outflow angle difference ⁇ 1 which differs from the outflow angle difference ⁇ 2 on the housing region, can be adjusted by adjusting the hub region.
  • the guide grid has a suitably designed free space on the hub region.
  • the outflow angle can be changed at the housing area, with hardly any near the hub Change is effected.
  • an outflow angle difference ⁇ 1 of approximately zero can be achieved, which differs from the outflow angle difference ⁇ 2 at the displaced housing area.
  • Figs. 1 and 2 show a comparison of effective diagrams of a compressor with radially constant change in the outflow angle, as is known from the prior art, and a compressor according to the invention with radially variable change in the outflow angle.
  • the white arrows indicate the change in the outflow angle from high load on
  • a radially different change in the outflow angle is effected at the inlet guide grid (pilot guide wheel).
  • the inflow from the guide grid to the subsequent rotor along the extension direction can be designed differently.
  • the outflow angle of the guide grid on the housing side can be changed more than on the hub side. This leads to a reduced displacement of the mass flow at the outlet of the rotor. This in turn leads to a discharge of the following grating and in particular the following rotor.
  • the compressor has a larger surge margin.
  • the present invention can provide a significant improvement in the surge line in the partial load range. This provides a significant improvement over the current state of the art.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a variant according to the invention with a shortened guide-grid vane and a free space according to, for example, the third embodiment explained above.
  • An adjustable guide grid is so shortened on Enclosed housing that an area on the hub remains free (free space). In this area, the flow is not actively influenced by this Leitgittereriel. In the illustration, the free area in the radial direction is slightly shorter than the length of the Leitgittereriels.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a variant according to the invention in the flow direction with a two-part guide grid with a fixed part and an adjustable part with a shortened guide vane wing and a free space according to e.g. the fourth embodiment explained above.
  • a fixed individual grid is connected upstream, so that there is a tandem design.
  • Fig. 5 shows an effective diagram of the structure of Fig. 3. It can be clearly seen in the present invention caused Abströmwinkelverlauf in which the outflow angle from the hub (N) to a point 1 remains unchanged (outflow angle in the design point equal discharge angle at part load ). From point 1 to the side of the housing, the change in the outflow angle increases continuously.
  • FIG. 6 shows an effective sketch of the structure of FIG. 4.
  • the outflow angle in the area between hub N and point 1 is arbitrary.
  • the desired Leitradabströmwinkel is effected by the fixed part.
  • the adjustable part of the two-part Leitgitters causes the increasing from point 1 to the housing change in the outflow angle.
  • Point 1 is preferably between 10% and 90% channel height. (Channel height is defined as ⁇ - ⁇ N ⁇ ).
  • both Leitradabitese are adjustable relative to each other. But it is also conceivable a structure in which only one of the two Leitradabitese is adjustable and the other Leitradabites is rigid. Also in this case, a radially different outflow angle can be achieved.
  • two Leitradabitese are adjustable relative to each other.
  • three or more stator sections may be made radially adjustable relative to one another.
  • the drive of the inner stator sections, which are not adjacent to the housing / hub, may be configured such that a first guide grid section on the hub and / or housing has a transmission device that passes adjustment drive energy therethrough to a second (inner) guide grid section relative to the first to adjust.
  • the compressor according to the invention has an adjustable for changing the outflow angle guide grid, which is shortened in the extension direction from housing to hub and leaves a free space to the hub down.
  • a construction is also conceivable in which a shortened guide grid is arranged in the hub area and a free space is left towards the housing.
  • the shortened guide grid may e.g. be secured to the housing by means of thin struts (e.g., a thin strut per guardrail wing), if the
  • the inlet grille is designed so that it can achieve a radially different outflow angle.
  • a corresponding structure can also be provided on each guide grid, before each follower rotor, so that a radially different outflow angle can also be achieved before each follower rotor.

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Abstract

Es ist ein Verdichter offenbart, der zumindest ein zum Ändern des Abströmwinkels verstellbares Leitgitter und einen dem Leitgitter nachgeschalteten Rotor aufweist, die zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet sind. Das Leitgitter ist in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei oder mehr radial relativ zueinander verstellbare Abschnitte geteilt oder weist in Erstreckungsrichtung radial einen Freiraum auf, der Strömung in wesentlichem Maß passieren läßt.

Description

Verdichter mit Leitgitter mit radial veränderlicher Abströmung
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Triebwerk mit einem Verdichter.
Technisches Problem
Ein solcher Verdichter verdichtet ein Verdichtungsmedium, wobei sich der Druck des Mediums dabei erhöht. Zum Erreichen von hohen Drücken weist der Verdichter mehrere Stufen auf, die aus abwechselnd angeordneten Rotoren und Statoren oder sog. Leitgitter bestehen.
Üblicherweise weist der Verdichter in Strömungsrichtung ein Eintrittsleitgitter, und ein dem Eintrittsleitgitter nachgeschalteten Rotor (mit Rotorschaufeln) auf. Diesem Rotor folgt wiederum ein Leitrad und diesem wieder ein Rotor usw. Die Schaufeln der Leitgitter und Rotoren sind zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet.
Zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität des Verdichters sind in der Regel die Leitgitter, insbesondere das Eintrittsleitgitter, verstellbar gestaltet, um den Abströmwinkel ändern zu können. Diese Verstellung wird dabei meist durch Drehen der Leitgitterflügel erzielt. Diese Verdrehung führt zu einer Anpassung des Verhältnisses der am Verdichtereintritt und -austritt effektiv zu Verfügung stehenden Strömungsfläche an ein geändertes Druckverhältnis des Verdichters.
In der Regel werden dabei die Leitgitterflügel als ganzes als starrer Körper verdreht. Beim Verdrehen wird der Abströmwinkel des Leitgitters in erster Näherung radial konstant verändert.
Es ist z.B. aus der Druckschrift DE 36 24 951 ein Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 bekannt, der ein Leitgitter aufweist, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter hat. Auch bei diesen Einzelleitgittern sind die Flügel als ganzes verdrehbar, um den Abströmwinkel des Leitgitters zu verändern.
Eine andere Möglichkeit, den Abströmwinkel zu ändern, ist in der Druckschrift EP 1 898 055 gezeigt, in der ein Gitterflügel einen die Last aufnehmenden Innenkörper aufweist, der von einem Mantel umgeben ist. Zwischen Innenkörper und Mantel sind Aktuatormechanismen angeordnet, die die Form des Mantels ändern können. Dabei wird der Gitterflügel in radialer Richtung als ganzes geändert.
Eine wiederum andere Möglichkeit, den Abströmwinkel zu ändern, ist in der Druckschrift DE 102 56 008 gezeigt, in der in Strömungsrichtung gesehen eine Hinterkante eines Flügels aufgrund aufblasbarer Kammern relativ zu seiner Vorderkante beweglich ist.
Durch diese bekannten Möglichkeiten zur Änderung des Abströmwinkels kann der üblicherweise für den Vollastbetrieb ausgelegte Verdichter zu einem Teillastbetrieb geschaltet werden, bei dem andere Strömungszustände herrschen.
Im Teillastbetrieb eines derart ausgelegten Verdichters kommt es aber aufgrund der Drallverteilung am Vorleitgitteraustritt zu einer starken Massenstromverlagerung am Austritt des ersten Rotors, die in Gehäuserichtung erfolgt. Die folgenden Gitter und insbesondere der folgende Rotor leiden darunter mit aerodynamisch sehr stark belasteten Nabenpartien. Dadurch entsteht die Gefahr einer Strömungsablösung. Tritt eine Strömungsablösung in einer oder in mehreren Stufen des Verdichters auf, ergibt sich ein massiver Leistungsabfall im Verdichter. Der Verdichter neigt dann zu einem sog. Pumpen, da die Strömung keine ausreichende kinetische Energie mehr besitzt, um den Druckanstieg zu bewältigen.
Gehäuseeinbauten können zwar stabilisierend wirken. Das damit verbundene
Potential kann jedoch nur teilweise ausgenutzt werden, da als nächstes an den hoch belasteten Nabenpartien des nächsten Leitgitters und nächsten Rotors Strömungsablösungen auftreten können, was wiederum zu einem Verdichterpumpen führt.
Aufgabe der Erfindung Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verdichter, der Veränderungen des Abströmwinkels am Leitgitter besser als zuvor bewerkstelligt, und ein verbessertes Triebwerk zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist es, den Pumpgrenzabstand zu erhöhen.
Im Hinblick auf den Verdichter ist diese Aufgabe durch einen Verdichter mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7 gelöst. Im Hinblick auf das Triebwerk ist die Aufgabe durch ein Triebwerk mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 1 und 2 ist das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei oder mehr relativ zueinander verstellbare Abschnitte geteilt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 6 und 7 belässt das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe einen Freiraum, der Strömung in wesentlichem Maß passieren laßt.
Bei diesen Aufbauarten kann die Zuströmung vom Leitgitter zum nachfolgenden Rotor entlang der Erstreckungsrichtung eines Leitgitterflügels (radial) unterschiedlich gestaltet sein. Somit kann der Abströmwinkel des Leitgitters an der Gehäuseseite stärker verändert werden als an der Nabenseite. Dies führt zu einer reduzierten Verlagerung des Massenstroms am Austritt des Rotors. Dies wiederum fuhrt zu einer Entlastung des folgenden Gitters und insbesondere des folgenden Rotors. Als Ergebnis hat der Verdichter einen größeren Pumpgrenzabstand.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 3 ermöglicht eine technisch einfache Verstellbarkeit der Leitgitterabschnitte.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 4 ermöglicht ein sehr spezifisches
Ansprechen auf erwünschte Strömungszustände.
Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 5 kann auch ein Leitgitterabschnitt relativ verstellt werden, der nicht zu Nabe oder Gehäuse benachbart ist. Dadurch kann eine Unterteilung in eine Vielzahl an relativ veränderbaren Leitgitterabschnitten in radialer Richtung erfolgen. Somit können viele fein abgestufte Strömungsdifferenzen zwischen Gehäuse und Nabe bewirkt werden. Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 8 ermöglicht, dass die Nabenseite auf sehr einfache Weise entlastet wird.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 9 ermöglicht, dass die Gehäuseseite auf sehr einfache Weise entlastet wird, sollte dies einmal erforderlich sein.
Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 10 ermöglicht, dass insbesondere der erste Rotor hinter dem Eintittsleitgitter eine Strömungsverbesserung erfährt.
Die erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 11 und 12 ermöglichen ein wunschgemäßes Antreiben eines spezifischen Leitgitterabschnittes.
Das erfindungsgemäße Triebwerk nach Anspruch 13 nutzt diese Vorteile eines Verdichters.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von speziellen Ausführungsformen genauer erläutert. Zur besseren Veranschaulichung einiger Aspekte der Erfindung sind Zeichnungen beigefügt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine Wirkskizze eines Verdichters mit radial konstanter Veränderung des Abströmwinkels, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2 zeigt eine Wirkskizze eines erfindungsgemäßen Verdichters mit radial veränderlicher Veränderung des Abströmwinkels.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante in Strömungsrichtung mit zweigeteiltem Leitgitter mit feststehendem Teil und verstellbarem Teil mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum.
Fig. 5 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 3. Fig. 6 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 4.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsformen
Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ggf. unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zunächst ist der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.
Der Verdichter weist in Strömungsrichtung ein Eintrittsleitgitter und einen dem Eintrittsleitgitter nachgeschalteten Rotor auf. Diesem Rotor folgt wiederum ein Leitgitter und diesem wieder ein Rotor usw. Die Leitgitter und Rotoren sind zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet. Die Nabe des Verdichters kann dabei ein Drehkörper des Rotors sein oder ein nicht drehender Stützabschnitt, der vom Rotorkörper separat ist. Beide Aufbauarten sind aus dem Stand der Technik bekannt.
In einer ersten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein verstellbares Leitgitter auf, das in zwei Abschnitte in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe (radial) geteilt ist. Diese beiden Leitradabschnitte können relativ zueinander verstellt werden. Die Verstellung kann durch Drehen per Verdrehmechanismus bewirkt werden, wie dies aus der DE 36 24 951 bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine spezielle Art an Verstellmechanismus beschränkt. Die Verstellung kann auch durch Änderung der Mantelform per Aktuatormechanis- men bewirkt werden, wie dies aus der EP 1 898 055 bekannt ist, oder durch aufblasbare Kammern bewirkt werden, wie dies aus der DE 102 56 008 bekannt ist. Weitere Verstellmechanismen sind ebenfalls denkbar, wichtig ist lediglich, dass eine Relativdrehung der Leitradabschnitte radial verwirklicht werden kann.
Ein Leitradabschnitt kann von der Gehäuseseite aus verstellt werden, während der andere Leitradabschnitt von der Nabenseite aus z.B. durch Mikroaktuatoren verstellt werden kann.
In einer zweiten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein Leitgitter nach der sog. Tandembauweise auf, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter hat, von denen eines unabhängig vom anderen zum Ändern des Abströmwinkels verstellbar ist. Es können aber auch beide Einzelleitgitter verstellbar sein, wie dies aus der DE 36 24 951 bekannt ist.
Von diesen Einzelleitgittern ist ein Einzelleitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei zueinander verstellbare Abschnitte geteilt, wobei auch beide Einzelleitgitter jeweils in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei zueinander verstellbare Abschnitte geteilt sein können.
In einer dritten Ausfϊihrungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein zum Ändern des Abströmwinkels verstellbares Leitgitter auf, das in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt ist und einen Freiraum zur Nabe hin belässt.
In einer vierten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter wieder ein in Tandembauweise ausgeführtes Leitgitter ähnlich wie in der zweiten Ausführungs- form auf.
Eines der Einzelleitgitter, vorzugsweise das in Strömungsrichtung hintere Einzelleitgitter, ist in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt und belässt einen Freiraum zur Nabe hin.
In der dritten und vierten Ausführungsform hat der Freiraum eine derartige Größe, dass die Strömung in einem wesentlichen Maß passieren kann. Der Freiraum kann z.B. 1A, die Hälfte oder 3A der Gesamtlänge zwischen Gehäuse und Nabe betragen. Die Freiraumlänge kann auch wunschgemäß gewählt werden.
Nachstehend ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.
Bei den Verdichtern der ersten und dritten Ausführungsform ist das Leitgitter radial in Abschnitte geteilt. Dabei kann der Abströmwinkel am Nabenbereich anders als am Gehäusebereich eingestellt werden. Insbesondere kann durch Verstellung am Nabenbereich eine Abströmwinkeldifferenz αl eingestellt werden, die sich von der Abströmwinkeldifferenz α2 am Gehäusebereich unterscheidet.
Bei den Verdichtern der zweiten und vierten Ausführungsform weist das Leitgitter einen geeignet gestalteten Freiraum am Nabenbereich auf. Dabei kann der Abströmwinkel am Gehäusebereich verändert werden, wobei in der Nähe der Nabe kaum eine Veränderung bewirkt wird. Insbesondere kann am Nabenbereich eine Abströmwinkeldifferenz αl von annähernd Null erzielt werden, die sich von der Abströmwinkeldifferenz α2 am verstellten Gehäusebereich unterscheidet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Gegenüberstellung von Wirkskizzen eines Verdichters mit radial konstanter Veränderung des Abströmwinkels, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, und eines erfindungsgemäßen Verdichters mit radial veränderlicher Veränderung des Abströmwinkels.
Durch die weißen Pfeile ist die Änderung des Abströmwinkels von Hochlast am
Auslegungspunkt zu Teillast gezeigt. Deutlich erkennbar ist der in der vorliegenden Erfindung bewirkte Abströmwinkelverlauf, bei dem die Änderung des Abströmwinkels radial von Nabenseite zu Gehäuseseite zunimmt.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine radial unterschiedliche Änderung des Abströmwinkels am Eintrittsleitgitter (Vorleitrad) bewirkt.
Somit kann die Zuströmung vom Leitgitter zum nachfolgenden Rotor entlang der Erstreckungsrichtung (radial) unterschiedlich gestaltet werden. Insbesondere kann der Abströmwinkel des Leitgitters an der Gehäuseseite stärker verändert werden als an der Nabenseite. Dies führt zu einer reduzierten Verlagerung des Massenstroms am Austritt des Rotors. Dies wiederum führt zu einer Entlastung des folgenden Gitters und insbesondere des folgenden Rotors. Als Ergebnis hat der Verdichter einen größeren Pumpgrenzabstand.
Somit kann die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung bei der Pumpgrenze im Teillastbereich vorsehen. Dies sorgt für eine deutliche Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung ist daher das vorstehend genannte Problem der Strömungsablösung minimiert.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum gemäß z.B. der vorstehend erläuterten dritten Ausführungsform. Ein verstellbares Leitgitter ist so verkürzt am Gehäuse angelenkt, dass ein Bereich an der Nabe frei bleibt (Freiraum). In diesem Bereich wird die Strömung von diesem Leitgitterflügel nicht aktiv beeinflusst. In der Darstellung ist der freie Bereich in radialer Richtung geringfügig kürzer als die Länge des Leitgitterflügels.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante in Strömungsrichtung mit zweigeteiltem Leitgitter mit feststehendem Teil und verstellbarem Teil mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum gemäß z.B. der vorstehend erläuterten vierten Ausführungsform. In Strömungsrichtung vor dem verstellbaren Leitgitterflügel, der ähnlich wie in Fig. 3 aufgebaut ist, ist ein feststehendes Einzelleitgitter vorgeschaltet, so dass sich eine Tandembauweise ergibt.
Fig. 5 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 3. Deutlich erkennbar ist der in der vorliegenden Erfindung bewirkte Abströmwinkelverlauf, bei dem der Abströmwinkel von der Nabe (N) bis zu einem Punkt 1 unverändert bleibt (Abströmwinkel im Auslegungspunkt gleich Abströmwinkel bei Teillast). Ab Punkt 1 zur Gehäuseseite nimmt die Änderung des Abströmwinkels kontinuierlich zu.
Fig. 6 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 4. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Variante (Fig. 6 und Fig. 4) ist der Abströmwinkel im Bereich zwischen Nabe N und Punkt 1 beliebig. Der gewünschte Leitradabströmwinkel wird von dem feststehenden Teil bewirkt. Der verstellbare Teil des zweigeteilten Leitgitters bewirkt die von Punkt 1 zum Gehäuse hin zunehmende Änderung des Abströmwinkels.
Punkt 1 liegt vorzugsweise zwischen 10% und 90% Kanalhöhe. (Kanalhöhe ist definiert als Γ-ΓN^ ).
TGehäuse - TNabe
Alternativen
Bei der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausfuhrungsform sind beide Leitradabschnitte relativ zueinander verstellbar. Es ist aber auch ein Aufbau denkbar, bei dem nur einer der beiden Leitradabschnitte verstellbar ist und der andere Leitradabschnitt starr ist. Auch in diesem Fall kann ein radial unterschiedlicher Abströmwinkel erzielt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform sind zwei Leitradabschnitte relativ zueinander verstellbar. Es können aber auch drei oder mehr Leitradabschnitte radial relativ zueinander verstellbar gestaltet werden. Der Antrieb der inneren Leitradabschnitte, die nicht benachbart zu Gehäuse/Nabe sind, kann so gestaltet sein, dass ein erster Leitgitterabschnitt an Nabe und/oder Gehäuse eine Übertragungseinrichtung aufweist, die Verstellantriebsenergie durch diesen hindurchführt, um einen zweiten (inneren) Leitgitterabschnitt relativ zum ersten zu verstellen.
Bei der dritten und vierten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein zum Ändern des Abströmwinkels verstellbares Leitgitter auf, das in Erstre- ckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt ist und einen Freiraum zur Nabe hin belässt. Sofern dies erwünscht ist, ist auch ein Aufbau denkbar, bei dem im Nabenbereich ein verkürztes Leitgitter angeordnet ist und ein Freiraum zum Gehäuse hin belassen bleibt. Das verkürzte Leitgitter kann z.B. mittels dünnen Streben am Gehäuse befestigt sein (z.B. eine dünne Strebe pro Leitgitterflügel), sofern der
Strömungswiderstand aufgrund dieser dünnen Strebe hingenommen werden kann.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Eintrittsleitgitter so gestaltet, dass es einen radial unterschiedlichen Abströmwinkel erzielen kann. Ein entsprechender Aufbau kann auch - vor jedem Folgerotor - an jedem Leitgitter vorgesehen werden, so dass auch vor jedem Folgerotor ein radial unterschiedlicher Abströmwinkel erzielbar ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter mit zumindest einem zum Ändern des Abströmwinkels verstellbaren Leitgitter, und zumindest einem dem Leitgitter nachgeschalteten Rotor, die zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei oder mehr radial relativ zueinander verstellbare Abschnitte geteilt ist.
2. Verdichter mit zumindest einem Leitgitter, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter aufweist, von denen zumindest eines unabhängig vom anderen zum Ändern des Abströmwinkels verstellbar ist, und zumindest einem dem Leitgitter nachgeschalteten Rotor, die zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einzelleitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei oder mehr radial relativ zueinander verstellbare Abschnitte geteilt ist.
3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr radial relativ zueinander verstellbaren Abschnitte relativ zueinander drehbar sind.
4. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr radial relativ zueinander verstellbaren Abschnitte jeweils relativ zueinander veränderbare Außenformen aufweisen.
5. Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Leitgitterabschnitt eine Übertragungseinrichtung aufweist, die Verstellantriebsenergie durch diesen hindurchfühlt, um einen zweiten Leitgitterabschnitt radial relativ zum ersten zu verstellen.
6. Verdichter mit zumindest einem zum Ändern des Abströmwinkels verstellbaren Leitgitter, und zumindest einem dem Leitgitter nachgeschalteten Rotor, die zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe radial einen Freiraum belässt, der Strömung in wesentlichem Maß passieren läßt.
7. Verdichter mit zumindest einem Leitgitter, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter aufweist, von denen zumindest eines unabhängig vom anderen zum Ändern des Abströmwinkels verstellbar ist, und zumindest einem dem Leitgitter nachgeschalteten Rotor, die zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einzelleitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe radial einen Freiraum belässt, der Strömung in wesentlichem Maß passieren läßt.
8. Verdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum des Einzelleitgitters sich an der Seite der Nabe befindet.
9. Verdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum des Einzelleitgitters sich an der Seite des Gehäuses befindet.
10. Verdichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Leitgitter ein Eintrittsleitgitter ist.
11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine am Gehäuse angebrachte Antriebseinrichtung zum Verstellen des Leitgitters.
12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 9, gekennzeichnet durch eine an der Nabe angebrachte Antriebseinrichtung zum Verstellen des Leitgitters.
13. Triebwerk mit einem Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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