WO2004018844A1 - Rezirkulationsstruktur für turboverdichter - Google Patents

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WO2004018844A1
WO2004018844A1 PCT/EP2003/009265 EP0309265W WO2004018844A1 WO 2004018844 A1 WO2004018844 A1 WO 2004018844A1 EP 0309265 W EP0309265 W EP 0309265W WO 2004018844 A1 WO2004018844 A1 WO 2004018844A1
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recirculation structure
recirculation
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PCT/EP2003/009265
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Peter A. Seitz
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Mtu Aero Engines Gmbh
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Priority to DE50303306T priority patent/DE50303306D1/de
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Definitions

  • the invention relates to a recirculation structure for turbocompressors, according to the preamble of claim 1, a turbocompressor and an aircraft engine and a stationary gas turbine.
  • DE 33 22 295 C3 protects an axial fan with a casing treatment.
  • Characteristic of this type of "casing treatment” is a closed ring (7) which is approximately aligned with the contour of the main flow channel and which separates the rear entry area from the front exit area of the recirculation structure and forms a smooth, closed surface area.
  • a very similar “casing treatment” is known from DE 35 39 604 C1, with an area that is open in the circumferential direction being present in the front and rear area of the annular chamber (7). Also note the radially inner ring 6 here.
  • the US 4.51 1.308 A protects fans (fans, blowers) with differently executed "casing treatments".
  • the simplest embodiment according to FIG. 6 has only one annular chamber without guide elements.
  • guide elements are fastened in the annular chamber, the upstream housing wall (22) is extended in the manner of a cylindrical or conical pipe socket over the radially inner edges of the guide elements (21), so that no exit of the recirculation flow into the main flow is possible at the upstream, front end of the annular chamber Guide elements (21), which are fastened to the front end wall and to the outer circumference of the annular chamber and are otherwise free-standing.
  • There is no tubular or ring-like element connecting or covering the guide elements in the circumferential direction Guide elements (21) rise from the front to the rear of the diameter of the entry housing uses (15) to the largest diameter of the annular chamber (16).
  • the object of the invention is to provide a recirculation structure for turbocompressors which enables a significant increase in the surge limit and thus a significant increase in the stable operating range without a relevant deterioration in the compressor efficiency.
  • the essence of the invention is that the tips of the guide elements facing the annular space lie on or close to the contour of the main flow channel and axially overlap with the free blade ends or axially adjoin the area of the free blade ends. Ring-like elements with rubbing pads etc. can be omitted.
  • the above-mentioned patents show that, up to now, experts have generally tried to make recirculation structures to the main flow channel, i.e. to the so-called annulus, smooth, with little gaps and closed over as large an axial area as possible, in order to extend the contour of the main flow channel with the least possible flow and with little loss to effect. In contrast, the invention leads to crevices, jagged surfaces, etc. and thus appears to be disadvantageous and inappropriate.
  • the ratio of the axial length of the annular chamber to the axial length of the blade ends is preferably 0.2 to 1.5.
  • the ratio will be closer to 0.2 for wide blades with a large axial extension at the blade end, and closer to 1.5 for slim blades with a small axial extension at the blade end.
  • the ratio of the radial height to the axial length of the annular chamber is 0.1 to 1.0.
  • a rather small ratio i.e. low radial height to get by.
  • the tips of the guide elements facing the annular space are set back radially at least in the area of the free blade ends so that there is no contact between the blade ends and the guide elements in normal operation. This takes into account the fact that the blade tips can be damaged during brushing, especially on hard, unyielding guide element tips. Resetting the guide element tips does not conflict with the requirement that the tips should be on or close to the contour of the main flow channel, since the small radial gap dimensions are practically irrelevant in terms of flow technology to avoid rubbing, ie they do not negatively influence the recirculation.
  • Preferred embodiments of the recirculation structure according to the main claim and a turbocompressor, an aircraft gas turbine and a stationary gas turbine are also characterized in the further subclaims.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through an axial-type compressor in the region of a recirculation structure on the housing
  • FIG. 2 shows a comparable partial longitudinal section in the area of a hub-side recirculation structure
  • FIG. 3 shows a partial cross section through the recirculation structure according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows a partial view of the recirculation structure according to FIGS. 1 and 3 radially from the inside
  • FIG. 5 shows a partial longitudinal section in the area of a housing-side recirculation structure modified with respect to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 6 shows a partial longitudinal section in the region of a housing-side recirculation structure modified with respect to FIG. 1 and FIG. 5, and
  • FIG. 7 shows a further partial longitudinal section in the area of a housing-modified, again modified recirculation structure.
  • the recirculation structure 1 according to FIG. 1 is integrated into the housing 5 of a turbocompressor and is therefore to be referred to as “casing treatment”.
  • the direction of flow in the bladed main flow duct 9 is indicated by an arrow on the left, that is to say it runs from left to right Area first on a guide vane ring 13, then on a moving vane ring 20 and finally again on a guide vane ring 14.
  • the radially outer contour 11 of the main flow channel 9 corresponds to the inner contour of the housing 5 and is continued by dash-dotted lines to the left and right of the actual illustration static recirculation structure 1 interacts with the rotor blade ring 20 and lies largely axially in front of the latter, ie upstream of it, the annular chamber 29 forming the recirculation structure 1 together with the guide elements 37 adjoins the main flow channel 9 radially from the outside and is open towards the latter Tips 41 of the guide elements 37 lie on or close to the contour 11 of the main flow channel 9, that is to say they are at least approximately aligned with the housing inner contour.
  • the guide elements 37 can consist of a metal, such as a Ni-based alloy, or of a light metal, such as Al, or of a plastic, such as thermoplastics, thermosets or elastomers.
  • the front wall 33 and the rear wall 34 of the annular chamber 29 are inclined forwards starting from their radially inner edges 35, 36 in order to be flow-friendly for the recirculation indicated by a small arrow.
  • the angle of inclination of the front wall is denoted by ⁇ , it can be the same or different in relation to the angle of the rear wall 34.
  • the axial overlap between the guide elements 37 and the blade ends 25 is denoted by UE 1.
  • FIG. 2 shows a recirculation structure 2 integrated in a rotating hub 8. From left to right in the main flow channel 10 one can see a rotor blade ring 21, a guide blade ring 15 with radially inner, free blade ends 26 and a rotor blade ring 22. Such a new one The arrangement of a recirculation structure would consequently be referred to as a “hub treatment”.
  • the recirculation structure 2 consisting of the annular chamber 30 and guide elements 38 with front and rear recesses 47, 48 between the front and rear wall of the annular chamber 30 and the guide elements 38 spaced apart from it acts to a large extent downstream guide vane ring 15.
  • the radially inner contour 12 of the main flow channel corresponds here to the outer contour of the hub 8.
  • UE 2 is the axial one Overlap of the guide elements 38 with the blade ends 26 of the guide blade ring 15.
  • the guide elements 38 are rounded at the transition to the walls of the annular chamber 30 to increase strength.
  • FIG. 3 shows a cross-section of a detail from FIG. 1.
  • the guide elements 37 are inclined at an angle ⁇ to the radial such that the blade ends 25 of the rotor blade ring 20 convey the recirculation flow into the annular chamber 29 without major losses, the direction of rotation (see arrow) is to be observed.
  • the angle of inclination ⁇ can decrease from radially inwards to outwards to the value “zero” with appropriately curved guide elements.
  • FIG. 4 for FIG. 3 shows the blade profiling of the rotor blade ring 20 in connection with its direction of rotation (arrow) and gives a good idea of the aerodynamic profiling and curvature of the guide elements 37.
  • the person skilled in the art can recognize that the recirculation outlet in the area of the upstream Edge 35 of the annular chamber 29 in relation to the blade ring 20 is to take place here with counter-swirl. With 36 the downstream edge of the annular chamber is designated.
  • the recirculation structure 3 according to FIG. 5 is a "casing treatment" with an annular chamber 31 integrated into a housing 6.
  • the guide elements 39 extend here to the front wall of the annular chamber 31, in the rear area there are recesses 49 in the immediate vicinity of the blade ends 27 of the Blade ring 23.
  • UE 3 denotes the axial overlap of the guide elements 39 with the blade ends 27.
  • LR is the axial length of the annular chamber 31, HR its radial height.
  • LS denotes the axial length of the blade ends 27.
  • the ratio LR to LS should be 0, 2 to 1.5, the ratio HR to LR being 0.1 to 1.0
  • the tips 43 of the guide elements 39 are offset radially outward in the rotation region of the blade ends 27 in order to avoid contact with 16 and 17 are guide vane rings designated.
  • the recirculation structure 4 in FIG. 6 with the annular chamber 32 and guide elements 40 is likewise a “casing treatment”, which is integrated in a housing 7 and interacts with a moving blade ring 24.
  • the guide elements 40 extend to the rear wall of the annular chamber 32. Cutouts 50 are provided in the front area here due to the guide elements 40 spaced apart from the front wall of the annular chamber 32.
  • the tips 44 of the guide elements 40 extend into the rotation area of the blade ends 28.
  • the recirculation structure 51 according to FIG. 7 differs from the embodiments described above in that openings 58, 59, which are limited on all sides, are provided in the front and rear region of the guide elements 56 for flow processes in the circumferential direction of the annular chamber 53. This leaves strength-increasing webs 60, 61, via which the guide elements 56 are firmly connected to the front and rear walls 54, 55 of the annular chamber 53 in the housing 52.
  • an opening 58 or 59 can be replaced by a previously described recess due to a spacing of the guide elements from the wall of the annular chamber 53. It goes without saying that only one opening 58 or 59 can be provided in the front or rear area of the guide elements.
  • the tips 41 to 44 and 57 of the guide elements 37 to 40 and 56 do not have to be offset radially outward if the guide elements are made of a soft light metal or a plastic because they come into contact with the blade ends 25 up to 28 can be approved without damaging the blades.

Abstract

Rezirkulationsstrüktur für Turboverdichter, mit einer im Bereich der freien Schaufelenden (25 bis 28) eines Schaufelkranzes angeordneten, radial an den Hauptströmungskanal angrenzenden Ringkammer (29 bis 32), und mit einer Vielzahl von in der Ringkammer angeordneten, über deren Umfang verteilten Leitelementen (37 bis 40), wobei die Ringkammer im vorderen und/oder hinteren Bereich einen Strömungsdurchtritt in Umfangsrichtung ermöglicht, und die Leitelemente mit zumindest einer Wand der Ringkammer fest verbunden und im übrigen freistehend ausgeführt sind. Die ringraumzugewandten Spitzen der Leitelemente verlaufen auf und/oder nahe bei der Kontur des Hauptströmungskanales und überlappen axial mit den freien Schaufelenden oder grenzen axial an den Bereich der freien Schaufelenden an.

Description

Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter
Die Erfindung betrifft eine Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, einen Turboverdichter sowie ein Flugtriebwerk und eine stationäre Gasturbine.
Rezirkulationsstrukturen für Turboverdichter sind seit geraumer Zeit bekannt und werden in der Fachwelt in der Regel als „Casing Treatments" bezeichnet. Diese haben primär die Aufgabe, den aerodynamisch stabilen Betriebsbereich des Verdichters zu erhöhen, wobei die sogenannte Pumpgrenze zu höheren Verdichterdrücken, d.h. zu einer höheren Verdichterbelastung hin, verschoben wird. Die für einen örtlichen Strömungsabriss und letztlich für das Pumpen des Verdichters verantwortlichen Störungen treten gehäuseseitig an den Laufschaufelenden einer bzw. mehrerer Verdichterstufen, nabenseitig an den radial innenliegenden Leitschaufelenden auf, da in diesen Bereichen die aerodynamische Belastung am höchsten ist. Durch Rezirkula- tion der zwischen den Schaufelspitzen mit Schaufeldrehzahl umlaufenden, eine reduzierte Energie aufweisenden „Luftteilchen" in den Hauptstrom unter Energiezunahme wird die Strömung im Bereich der Schaufelenden wieder stabilisiert. Da Strömungsstörungen in der Regel nicht gleichmäßig über den Stufenumfang auftreten, sollte strömungstechnisch auch ein Ausgleich in Umfangsrichtung, zusätzlich zur im wesentlichen axialen Rezirkulation, möglich sein. Der Hauptnachteil der bekannten „Casing Treatments" liegt darin, dass sie zwar die Pumpgrenze erhöhen, aber gleichseitig den Verdichterwirkungsgrad reduzieren.
Die DE 33 22 295 C3 schützt einen Axialventilator mit einem „Casing Treatment". Man erkennt dort eine Ringkammer (8), in der Leitelemente (9) fest angeordnet sind. Im stromabwärtigen Bereich über den Laufschaufelenden befindet sich ein in Umfangsrichtung offener Bereich, in den sich die Leitelemente nicht erstrecken. Charakteristisch für diese Art „Casing Treatment" ist ein etwa mit der Kontur des Hauptstromungskanales fluchtender, geschlossener Ring (7), der den hinteren Eintrittsbereich vom vorderen Austrittsbereich der Rezirkulationsstruktur trennt und einen glatten, geschlossenen Oberflächenbereich bildet. Ein ganz ähnliches „Casing Treatment" ist aus der DE 35 39 604 C1 bekannt, wobei hier im vorderen und hinteren Bereich der Ringkammer (7) ein in Umfangsrichtung offener Bereich vorhanden ist. Man beachte auch hier den radial innenliegenden Ring 6.
Ein neueres „Casing Treatment" ist aus der US 5,282,718 A bekannt. Hier sind die Ringkammer (18, 28) und die Leitelemente (24) strömungstechnisch verfeinert. Auch hier sind Ein- und Austritt der Rezirkulationsströmung durch einen massiven, zu den Schaufeln hin glatten und geschlossenen Ring getrennt. Derartige Ringe im Schaufelbereich müssen für den Fall der Berührung mit den Schaufelspitzen in der Regel mit einem Anstreif- bzw. Einlaufbelag versehen werden.
Es gibt weitere „Casing Treatments" mit axialen bzw. axial schrägen Nuten, wie z.B. in der US 5, 137,419 A offenbart. Diese bleiben hier deshalb außer Betracht, da mangels Verbindung der Nuten untereinander bei diesen Versionen kein Strömungsausgleich in Umfangsrichtung möglich ist.
Die US 4,51 1,308 A schützt Ventilatoren (fans, blowers) mit unterschiedlich ausgeführten „Casing Treatments". Die einfachste Ausführung gemäß Figur 6 besitzt nur eine Ringkammer ohne Leitelemente. Bei den Ausführungen gemäß Figur 1 und 3 sind Leitelemente in der Ringkammer befestigt, die stromaufwärtige Gehäusewand (22) ist nach Art eines zylindrischen bzw. konischen Rohrstutzens bis über die radial inneren Kanten der Leitelemente (21) verlängert, so dass am stromaufwärtigen, vorderen Ende der Ringkammer kein Austritt der Rezirkulationsströmung in die Hauptströmung möglich ist. Figur 5 zeigt Leitelemente (21), die an der vorderen Stirnwand und am Außenumfang der Ringkammer befestigt sind und im übrigen freistehend ausgeführt sind. Hier gibt es kein röhr- oder ringartiges, die Leitelemente in Umfangsrichtung verbindendes bzw. abdeckendes Element. Die freien, radial inneren Kanten der Leitelemente (21) steigen von vorne nach hinten vom Durchmesser des Eintrittsgehäuses (15) bis zum größten Durchmesser der Ringkammer (16) an. Somit überlappen sich die Leitelemente im stromabwärtigen Bereich zwar axial mit dem stromaufwärtigen Bereich der Schaufelenden (14), durch den großen radialen Abstand zwischen den Leitelementen (21) und den Schaufelenden (14) ist aber keine wirksame und definierte Führung der Rezirkulationsluft möglich. Nachteilig ist weiterhin das große Volumen der Ringkammer (16) in Relation zu den Laufschaufelabmessungen. Eine derartige Ausführung ist weder aerodynamisch noch konstruktiv für einen Turboverdichter geeignet.
Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter bereitzustellen, die eine deutliche Erhöhung der Pumpgrenze und somit eine deutliche Vergrößerung des stabilen Betriebsbereiches ohne relevante Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass die ringraumzugewandten Spitzen der Leitelemente auf bzw. nahe bei der Kontur des Hauptstromungskanales liegen und axial mit den freien Schaufelenden überlappen oder axial an den Bereich der freien Schaufelenden angrenzen. Ringartige Elemente mit Anstreifbelägen etc. können dabei entfallen. Die obengenannten Patentschriften zeigen, dass die Fachwelt bis dato in aller Regel versucht hat, Rezirkulationsstrukturen zum Hauptstromungskanal, d.h. zum sog. Ringraum hin über einen möglichst großen axialen Bereich glatt, spaltarm und geschlossen auszuführen, um eine möglichst strömungsgünstige und verlustarme Verlängerung der Kontur des Hauptstromungskanales zu bewirken. Die Erfindung führt demgegenüber zu Spalten, zerklüfteten Oberflächen etc. und erscheint somit nachteilig und unzweckmäßig zu sein. Versuche haben jedoch gezeigt, dass die erfindungsgemäße Rezirkulationsstruktur bekannten Lösungen sowohl hinsichtlich Pumpgrenzanhebung als auch hinsichtlich Wirkungsgrad überlegen ist. Dies ist aerodynamisch dadurch zu erklären, dass die freie, ungezwungene Ausbildung der Rezirkulationsströmung in der offenen Ringkammer mit freistehenden Leitelementen und Strömungsverbindungen in Umfangsrichtung wichtiger ist, als eine möglichst spaltfreie Verlängerung der Kontur des Hauptstromungskanales. Das Fehlen eines geschlossenen Rings hat die weiteren Vorteile, dass kein Anstreif- bzw. Einlaufbelag für die Leitelemente erforderlich ist und radialer Bauraum sowie Gewicht eingespart wird, was zu strukturmechanischen Vorteilen führt. Eine definierte Führung der Rezirkulationsströmung - ohne Ringelemente - wird aber nur dann erreicht, wenn die freien Kanten der Leitelemente relativ nahe bei den Schaufelkanten verlaufen und axial teilweise mit letzteren überlappen oder zumindest an deren Bereich angrenzen. Nur so wird letztlich ein kompaktes, verdichtergeeignetes „Casing Treatment" möglich.
Das Verhältnis der axialen Länge der Ringkammer zur axialen Länge der Schaufelenden beträgt vorzugsweise 0,2 bis 1,5. Bei breiten Schaufeln mit großer axialer Erstreckung am Schaufelende wird das Verhältnis näher bei 0,2, bei schlanken Schaufeln mit geringer axialer Erstreckung am Schaufelende näher bei 1 ,5 liegen.
In bevorzugter Ausgestaltung beträgt das Verhältnis der radialen Höhe zur axialen Länge der Ringkammer 0, 1 bis 1,0. Bei Flugtriebwerken mit sehr strengen Vorgaben hinsichtlich Platzbedarf, Konturverlauf etc. wird man versuchen, mit einem eher kleinen Verhältnis, d.h. geringer radialer Höhe, auszukommen. Bei stationären Anwendungen mit ausreichenden Platzangebot kann man eher an die obere Grenze gehen. Auch bei axial kurzen Ringkammern wird man sich mehr der oberen Grenze annähern.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die ringraumzugewandten Spitzen der Leitelemente zumindest im Bereich der freien Schaufelenden radial so weit zurückgesetzt sind, dass im Normalbetrieb keine Berührung zwischen den Schaufelenden und den Leitelementen erfolgt. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass die Laufschaufelspitzen beim Anstreifen beschädigt werden können, insbesondere an harten, unnachgiebigen Leitelementspitzen. Das Zurücksetzen der Leitelementspitzen steht nicht im Widerspruch zu der Forderung, dass die Spitzen auf bzw. nahe bei der Kontur des Hauptstromungskanales liegen sollen, da die geringen radialen Spaltmaße zur Vermeidung des Anstreifens strömungstechnisch praktisch ohne Belang sind, d.h. die Rezirkulation nicht negativ beeinflussen. Auch in den weiteren Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur nach dem Hauptanspruch sowie ein Turboverdichter, eine Fluggasturbine und eine stationäre Gasturbine gekennzeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Figur 1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauart im Bereich einer gehäuseseitigen Rezirkulationsstruktur,
Figur 2 einen vergleichbaren Teillängsschnitt im Bereich einer nabenseitigen Rezirkulationsstruktur,
Figur 3 einen Teilquerschnitt durch die Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1, Figur 4 eine Teilansicht der Rezirkulationsstruktur gemäß Figur 1 und 3 radial von Innen,
Figur 5 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 modifizierten Rezirkulationsstruktur,
Figur 6 einen Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, gegenüber Figur 1 und Figur 5 modifizierten Rezirkulationsstruktur, und
Figur 7 einen weiteren Teillängsschnitt im Bereich einer gehäuseseitigen, nochmals modifizierten Rezirkulationsstruktur.
Die Rezirkulationsstruktur 1 gemäß Figur 1 ist in das Gehäuse 5 eines Turboverdichters integriert und somit als „Casing Treatment" zu bezeichnen. Die Strömungsrichtung im beschaufelten Hauptstromungskanal 9 ist links mit einem Pfeil angedeutet, sie verläuft also von links nach rechts. Die Strömung trifft im gezeigten Bereich zunächst auf einen Leitschaufelkranz 13, dann auf einen Laufschaufelkranz 20 und schließlich wieder auf einen Leitschaufelkranz 14. Die radial äußere Kontur 1 1 des Hauptströmungskanals 9 entspricht der inneren Kontur des Gehäuses 5 und ist zur Verdeutlichung links und rechts der eigentlichen Darstellung strichpunktiert fortgesetzt. Die statische Rezirkulationsstruktur 1 wirkt mit dem Laufschaufelkranz 20 zusammen und liegt großteils axial vor diesem, d.h. stromaufwärts. Die zusammen mit den Leitelementen 37 die Rezirkulationsstruktur 1 bildende Ringkammer 29 grenzt radial von außen an den Hauptstromungskanal 9 an und ist zu diesem hin offen. Die Spitzen 41 der Leitelemente 37 liegen auf oder nahe bei der Kontur 1 1 des Hauptstromungskanales 9, d.h. sie fluchten zumindest annähernd mit der Gehäuseinnenkontur. Die Leitelemente 37 können aus einem Metall, wie einer Ni- Basislegierung, oder aus einem Leichtmetall, wie AI, oder aus einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, bestehen. Die vordere Wand 33 und die hintere Wand 34 der Ringkammer 29 sind ausgehend von ihren radial inneren Kanten 35, 36 nach vorne geneigt, um für die mit einem kleinen Pfeil angedeutete Rezirkulation strömungsgünstig zu sein.
Der Neigungswinkel der vorderen Wand ist mit α bezeichnet, er kann gleich oder unterschiedlich in Relation zum Winkel der hinteren Wand 34 sein. Zwischen der vorderen Wand 33, den Leitelementen 37 und der hinteren Wand 34 sind Aussparungen 45, 46 vorhanden, die Strömungsvorgänge innerhalb der Ringkammer in Umfangsrichtung zulassen, zusätzlich zur vorwiegend axial verlaufenden Rezirkulation. Mit 25 sind die freien Schaufelenden des Laufschaufelkranzes 20 bezeichnet, in deren Bereich Strömungsstörungen am ehesten auftreten. Die axiale Überlappung zwischen den Leitelementen 37 und den Schaufelenden 25 ist mit UE 1 bezeichnet.
Im Unterschied zu Figur 1 zeigt Figur 2 eine in eine rotierende Nabe 8 integrierte Rezirkulationsstruktur 2. Man erkennt im Hauptstromungskanal 10 von links nach rechts einen Laufschaufelkranz 21, einen Leitschaufelkranz 15 mit radial inneren, freien Schaufelenden 26 und einen Laufschaufelkranz 22. Eine solche, neue Anordnung einer Rezirkulationsstruktur wäre konsequenterweise als „Hub Treatment" zu bezeichnen. Die aus Ringkammer 30 und Leitelementen 38 bestehende Rezirkulationsstruktur 2 mit vorderen und hinteren Aussparungen 47, 48 zwischen der vorderen und hinteren Wand der Ringkammer 30 und den dazu beabstandeten Leitelemente 38 wirkt mit einem großteils stromabwärts liegenden Leitschaufelkranz 15 zusammen. Da hier das „Hub Treatment" rotiert und der Leitschaufelkranz 15 steht, wirkt die Rotordrehzahl voll als Differenzdrehzahl. Die Wirkungsweise unterschiedet sich prinzipiell nicht von der eines „Casing Treatments". In einem Turboverdichter können "Casing Treatment" und „Hub Treatment" auch kombiniert werden und in mehreren Stufen zur Anwendung kommen. Die radial innere Kontur 12 des Hauptströmungskanals entspricht hier der Außenkontur der Nabe 8. UE 2 ist die axiale Überlappung der Leitelemente 38 mit den Schaufelenden 26 des Leitschaufelkranzes 15. Die Leitelemente 38 sind am Übergang zu den Wänden der Ringkammer 30 fes- tigkeitserhöhend gerundet.
Figur 3 zeigt im Querschnitt ein Detail aus Fig. 1. Die Leitelemente 37 sind um einen Winkel ß so zur Radialen geneigt, dass die Schaufelenden 25 des Laufschaufelkranzes 20 die Rezirkulationsströmung ohne größere Verluste in die Ringkammer 29 hineinfördern, wobei die Drehrichtung (siehe Pfeil) zu beachten ist. Der Neigungswinkel ß kann von radial Innen nach Außen bis auf den Wert „Null" abnehmen bei entsprechend gekrümmten Leitelementen.
Eine radiale Anordnung der Leitelemente, d.h. ß = 0° ist möglich, aber weniger strömungsgünstig.
Die Ansicht gemäß Figur 4 zu Figur 3 zeigt die Schaufelprofilierung des Laufschaufelkranzes 20 in Verbindung mit seiner Drehrichtung (Pfeil) und vermittelt eine gute Vorstellung von der strömungsgünstigen Profilierung und Krümmung der Leitelemente 37. Der Fachmann vermag zu erkennen, dass der Rezirkulationsaustritt im Bereich der stromaufwärtigen Kante 35 der Ringkammer 29 in Relation zum Laufschaufelkranz 20 hier mit Gegendrall erfolgen soll. Mit 36 ist die stromabwärtige Kante der Ringkammer bezeichnet.
Die Rezirkulationsstruktur 3 gemäß Figur 5 ist ein „Casing Treatment" mit einer in ein Gehäuse 6 integrierten Ringkammer 31. Die Leitelemente 39 reichen hier bis zur vorderen Wand der Ringkammer 31, im hinteren Bereich sind Aussparungen 49 vorhanden, in unmittelbarer Nähe der Schaufelenden 27 des Laufschaufelkranzes 23. UE 3 bezeichnet die axiale Überlappung der Leitelemente 39 mit den Schaufelenden 27. LR ist die axiale Länge der Ringkammer 31, HR deren radiale Höhe. Mit LS ist die axiale Länge der Schaufelenden 27 bezeichnet. Das Verhältnis LR zu LS soll 0,2 bis 1,5 betragen, das Verhältnis HR zu LR 0, 1 bis 1,0. Die Spitzen 43 der Leitelemente 39 sind hier im Rotationsbereich der Schaufelenden 27 radial nach außen versetzt, um eine Berührung zu vermeiden. Mit 16 und 17 sind Leitschaufelkränze bezeichnet. Die Rezirkulationsstruktur 4 in Figur 6 mit Ringkammer 32 und Leitelementen 40 ist ebenfalls ein „Casing Treatment", das in ein Gehäuse 7 integriert ist und mit einem Laufschaufelkranz 24 zusammenwirkt. Im Unterschied zu Figur 5 reichen hier die Leitelemente 40 bis zur hinteren Wand der Ringkammer 32. Aussparungen 50 sind hier aufgrund der zur vorderen Wand der Ringkammer 32 beabstandeten Leitelemente 40 im vorderen Bereich vorgesehen. Die Spitzen 44 der Leitelemente 40 reichen bis in den Rotationsbereich der Schaufelenden 28.
Die Rezirkulationsstruktur 51 gemäß Figur 7 unterscheidet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungen dadurch, dass für Strömungsvorgänge in Umfangsrichtung der Ringkammer 53 allseitig begrenzte Öffnungen 58, 59 im vorderen und hinteren Bereich der Leitelemente 56 vorhanden sind. Somit verbleiben festigkeitserhö- hende Stege 60, 61, über welche die Leitelemente 56 mit der vorderen und hinteren Wand 54, 55 der Ringkammer 53 im Gehäuse 52 fest verbunden sind. Alternativ kann eine Öffnung 58 bzw. 59 durch eine zuvor beschriebene Aussparung aufgrund einer Beabstandung der Leitelemente zur Wand der Ringkammer 53 ersetzt sein. Es versteht sich, dass auch nur eine Öffnung 58 bzw. 59 im vorderen oder hinteren Bereich der Leitelemente vorgesehen sein kann.
Für alle Ausgestaltungen der Rezirkulationsstruktur gilt, dass die Spitzen 41 bis 44 und 57 der Leitelemente 37 bis 40 und 56 nicht radial nach außen versetzt sein müssen, wenn die Leitelemente aus einem weichen Leichtmetall oder einem Kunststoff hergestellt sind, weil eine Berührung mit den Schaufelenden 25 bis 28 zugelassen werden kann, ohne dass die Schaufeln beschädigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Rezirkulationsstruktur für Turboverdichter, insbesondere von Gasturbinen, mit einer konzentrisch zur Verdichterachse im Bereich der freien Schaufelenden eines Schaufelkranzes angeordneten Ringkammer, deren axiale Mitte stromaufwärts, d.h. vorderhalb der axialen Mitte der freien Schaufelenden liegt, und die radial' an die Kontur des Hauptstromungskanales, des sogenannten Ringraumes, angrenzt, und mit einer Vielzahl von in der Ringkammer angeordneten, über deren Umfang verteilten Leitelementen, wobei die Ringkammer im vorderen und/oder hinteren Bereich einen Stromungsdurchtritt in Umfangsrichtung ermöglicht, und die Leitelemente mit zumindest einer Wand der Ringkammer verbunden und im übrigen freistehend ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ringraumzugewandten Spitzen (41 bis 44, 57) der Leitelemente (37 bis 40, 56) auf und/oder nahe bei der Kontur (1 1, 12) des Hauptstromungskanales (9, 10) verlaufen und axial mit den freien Schaufelenden (25 bis 28) überlappen (UE 1 bis UE 4) oder axial an den Bereich der freien Schaufelenden (25 bis 28) angrenzen.
2. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der axialen Länge (LR) der Ringkammer (29 bis 32, 53) an der Kontur (1 1 , 12) des Hauptstromungskanales (9, 10) zur axialen Länge (LS) der Schaufelenden (25 bis 28) 0,2 bis 1,5 beträgt.
3. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der radialen Höhe (HR) zur axialen Länge (LR) der Ringkammer (29 bis 32, 53) 0, 1 bis 1,0 beträgt.
4. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axial vordere Wand (33, 54) und die axial hintere Wand (34, 55) der Ringkammer (29 bis 32, 53) ausgehend von ihren kreisförmig umlaufenden Kanten (35,36) auf der Kontur (1 1) des Hauptstromungskanales (9) um den gleichen oder einen unterschiedlichen Winkel (α) stromaufwärts, d.h. schräg nach vorne, geneigt sind.
5. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) der axial vorderen und der axial hinteren Wand der Ringkammer ausgehend von der Radialrichtung einen Wert im Bereich von 30° bis 60° aufweist.
6. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40, 56) schaufelartig, räumlich gekrümmt, mit variierender Dicke und mit definierten Profilschnitten ausgeführt sind.
7. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40, 56) - bei axialer Blickrichtung - in Umfangsrichtung um einem Winkel (ß) geneigt oder in Umfangsrichtung gekrümmt angeordnet sind, wobei der Winkel (ß) über die Länge der Leitelemente (37 bis 40, 56) variieren kann und so gewählt ist, dass der Eintritt der Rezirkulationsströmung in die Ringkammer (29 bis 32, 53) strömungstechnisch erleichtert wird, d.h. strömungsgünstig erfolgt.
8. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringraumzugewandten Spitzen (43) der Leitelemente (39) zumindest im Bereich der freien Schaufelenden (27) radial so weit zurückgesetzt sind, dass im Normalbetrieb des Turboverdichters keine Berührung zwischen den Schaufelenden (27) und den Leitelementen (39) erfolgt.
9. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) aus einem Metall, wie Stahl oder einer Ni- oder einer Co-Basislegierung, einem Leichtmetall, wie AI, oder einem Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere, bestehen.
10. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ringraumzugewandten Spitzen (41 bis 44) der Leitelemente (37 bis 40) im Fall von Leitelementen aus Leichtmetall oder Kunststoff so nahe bei den freien Schaufelenden (25 bis 28) liegen, dass im Betrieb eine Berührung möglich ist.
1 1. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromungsdurchtritt in Umfangsrichtung durch Öffnungen (58, 59) im vorderen und/oder hinteren Bereich der Leitelemente (37 bis 40, 56) erfolgt.
12. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (29 bis 32, 53) und die Leitelemente (37 bis 40, 56) integral mit einem sie aufnehmenden Bauteil (5 bis 7, 8, 52) ausgebildet sind.
13. Rezirkulationsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (29 bis 32, 53) einschließlich der Leitelemente (37 bis 40, 56) einstückig oder als zumindest zwei in Umfangsrichtung aneinan- dergrenzende Segmente ausgeführt und lösbar an einem diese aufnehmenden Bauteil (5 bis 7, 8, 52) befestigt ist.
14. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie gegossen, insbesondere feingegossen oder spanabhebend oder elektrochemisch (ECM) gefertigt ist.
15. Rezirkulationsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) separat als einzelne Bauteile oder Bauteilgruppen, insbesondere als Leitelementsegmente, ausgeführt und lösbar in der Ringkammer (29 bis 32) befestigt sind.
16. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (37 bis 40) durch Schmieden oder Gießen oder durch elektrochemische Bearbeitung (ECM) und/oder spanabhebend gefertigt sind.
17. Rezirkulationsstruktur nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (29 bis 32) spanabhebend und/oder durch Gießen oder Schmieden gefertigt ist.
18. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein- oder mehrfach gehäusefest, d.h. statisch, im Bereich eines oder mehrerer Laufschaufelkränze (20,23,24) und/oder ein- oder mehrfach nabenfest, d.h. rotierend, im Bereich eines oder mehrerer Leitschaufelkränze (15) angeordnet ist.
19. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromungsdurchtritt in Umfangsrichtung durch Aussparungen (45 bis 50) erfolgt.
20. Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromungsdurchtritt in Umfangsrichtung durch Aussparungen (45 bis 50) und/oder Öffnungen (58, 59) in den Leitelementen (37 bis 40, 56) im vorderen oder im vorderen und hinteren Bereich der Ringkammer (29 bis 32, 53) erfolgt.
21. Turboverdichter in Axial- und/oder Diagonal- und/oder Radialbauweise, umfassend wenigstens eine Rezirkulationsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
22. Flugtriebwerk, umfassend einen Turboverdichter nach Anspruch 21.
23. Stationäre Gasturbine, umfassend einen Turboverdichter nach Anspruch 21.
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