WO2013107489A1 - Verfahren und vorrichtung zur stabilisierung eines verdichterstroms - Google Patents

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WO2013107489A1
WO2013107489A1 PCT/EP2012/005308 EP2012005308W WO2013107489A1 WO 2013107489 A1 WO2013107489 A1 WO 2013107489A1 EP 2012005308 W EP2012005308 W EP 2012005308W WO 2013107489 A1 WO2013107489 A1 WO 2013107489A1
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compressor
fluid stream
flow
flow channel
paddle wheel
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Stefan Bindl
Marcel Stössel
Reinhard Niehuis
Bastian Muth
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Universität der Bundeswehr München
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for providing a fluid flow to a compressor system of a turbomachine, in particular for stabilizing a compressor flow in or on an aircraft engine.
  • Turbo compressors also called turbocompressors, are essential components of turbomachines, for example of aircraft engines, gas turbines in power plants or other process engineering plants.
  • An aircraft engine essentially comprises a compressor, a combustion chamber, a turbine and a discharge nozzle. These components are arranged one behind the other in the flow direction.
  • the task of the compressor is to compress ambient air sucked into the engine and pass it on to the combustion chamber.
  • the compressed air is mixed with fuel and ignited the mixture.
  • the expanding gas escapes and drives the turbine, which in turn is connected via a shaft to the compressor in order to drive it.
  • the expanding gas escapes through a thruster and generates the propulsion.
  • Compressors as used in aircraft engines, usually consist of a cylindrical housing, which defines a flow channel for the compressed air in its interior.
  • the housing includes an opening to the air inlet at its axially forward end and an opening to the air outlet preferably to the combustion chamber at its axially rearward end.
  • the shaft extends on the succession in the axial direction a plurality of turbine blades driven by the turbine are arranged.
  • Each paddle wheel consists of a plurality of substantially identical profiled paddles whose plane is inclined with respect to the axial direction. The blades turn around the Wave, it comes due to the geometry of the blades for air transport through the compressor passage, and the air downstream of the paddle wheel is or is compressed upstream of the air upstream of the paddle wheel. In operation, therefore, there is at each paddle wheel a certain compression ratio between the air pressure downstream of the paddle wheel and the air pressure upstream of the paddle wheel. This compression ratio depends, for example, on the impeller geometry and / or the rotational speed of the impeller.
  • multi-stage compressors are used in practice in which a plurality of paddle wheels are connected in series in the compressor passage in order to gradually compress the air flowing into the compressor to the desired pressure level.
  • Fig. 1 illustrates schematically such a separation of the flow in a compressor grid.
  • the incidence angles ⁇ change from blade profile to blade profile until, finally, a critical angle of incidence is achieved in the adjacent profile, which leads to a separation of the flow at this profile.
  • the deflection of the fluid causes the initially affected blade passage is now again sufficiently flowed and relieved, so that the separation and thus the blocking of the passage can be canceled.
  • the disturbance continues to the next blade and travels counter to the rotor rotation direction through the compressor grid.
  • Such a disturbance in which reduced mass flow areas circulate at a speed less than the rotor speed, is generally referred to as a rotating stall.
  • An effective way to stabilize the air flow through the compressor and counteract the rotating flow separation is to inject additional air in the blade tip region, as described, for example, in S. Bindl et al., Active Stall Elimination by Air Injection onto the Tip Region of Compressor Blades ", ISABE-2009-1 105, Proceedings of the 19th International Symposium on Air Breathing Engines, Montreal, September 2009.
  • the targeted injection of air ener- gizes and stabilizes the flow close to the housing can be taken from a higher compressor stage of the compressor, from another engine or from another external source, but when taken from another engine or a downstream compressor stage of the compressor decreases its efficiency, since the extracted air is no longer for the thrust generation Even with a recirculation On and an exploitation of the dethrottling effect in the removal of air in the rear compressor stages, it is expedient to limit the amounts of air. Otherwise, the following components of the engine are severely impaired in their efficiency. In addition, the bleed air from the downstream compressor stages due the compression already reach high temperatures to which the front compressor stages are often structurally not designed. The unwanted heating limits the recirculated air mass flow and therefore the stabilizing effect of the air injection.
  • the invention therefore has the object to provide an improved method and an improved device for stabilizing the flow of air through the compressor and thereby increase the efficiency of the compressor.
  • the invention relates to a method for providing a fluid flow to a compressor system of a turbomachine, wherein the compressor system comprises at least one compressor housing, in which at least one paddle wheel is arranged and which is flowed through by a compressor flow, with the steps of supplying a primary fluid Flow into a mixing area of the compressor system and feeding a secondary fluid stream from an outside area of the compressor housing into the mixing area so that the secondary fluid stream at least partially mixes with the primary fluid stream to a resulting fluid stream; Supplying the resulting fluid stream from the mixing zone into the compressor stream upstream of the paddle wheel in the direction of the paddle wheel.
  • the inventors have recognized that by supplying a secondary fluid stream from the exterior of the compressor housing, a primary fluid stream which is more densified than the secondary fluid stream may be accumulated, such that the resulting fluid stream equals the compressor flow in the range the paddle wheel effectively stabilized. Due to the supply of the secondary fluid flow, effective stabilization can be achieved even with a comparatively small primary fluid flow, so that the disadvantages described with reference to the prior art of a reduction in the efficiency of the dichtersystems and excessive heating of the front compressor stages are reduced.
  • the mixing of the primary fluid flow with the secondary fluid flow can be effected in such a way that the primary fluid flow promotes the secondary fluid flow, in particular promotes it by pulse exchange.
  • the secondary fluid stream in the mixing region may contact the primary fluid stream and be accelerated by the primary fluid stream, such that after at least partial mixing of the primary and secondary fluid streams, the resulting fluid stream is created. This effect is commonly referred to as the ejector effect.
  • the primary fluid stream passes through the mixing zone prior to being fed into the compressor stream above or upstream of the paddle wheel and, depending on the design of the compressor system and the flow velocity, can draw in a secondary fluid stream whose mass flow is a multiple of the primary mass flow.
  • the secondary fluid flow is supplied from outside into the mixing area, i. preferably via an external supply line and not through the upstream stages of the compressor system or through the main inlet opening of the compressor housing, and thus increases the mass flow available for stabilizing the compressor flow, without the efficiency of the compressor system decreasing.
  • the secondary fluid flow is different from the compressor flow.
  • the terms “upstream” and “downstream” with respect to the compressor flow to understand, from which the compressor housing is flowed through.
  • the upstream side of the paddle wheel is therefore that side which faces the input of the compressor system or an upstream compressor stage.
  • the downstream side of the impeller is the side of the impeller facing the outlet or a downstream compressor stage.
  • the paddle wheel separates that portion downstream of the paddle wheel from which the primary fluid stream is discharged from that portion upstream of the paddle wheel in which, after the admixture of the secondary fluid stream, the resulting fluid stream is fed back into the compressor stream.
  • these areas may also be defined by more than one paddle wheel or by a plurality of compressor units. be separated from each other.
  • the pressure difference between the region in which the primary fluid stream is discharged and the region in which the resulting fluid mixture is fed is then correspondingly higher, so that the flow velocity and the mass flow rate of the primary fluid stream increase accordingly. This can increase the ejector effect.
  • inside area and “outside area” of the compressor housing may in the context of the invention relate to a radial direction perpendicular to the housing axis or shaft of the compressor.
  • the inner area is then closer to the housing axis or axis of rotation of the shaft than the outer area and in particular comprises the flow channel for the compressor flow.
  • the exterior of the compressor housing includes the area outside the compressor housing or the environment in which the compressor system is operated.
  • the medium of the secondary fluid stream may be similar to the medium of the primary fluid stream.
  • both media can be air.
  • the primary fluid stream may be more densified than the secondary fluid stream.
  • the primary fluid stream is discharged from the compressor stream of the first turbomachine downstream of the paddle wheel. In this configuration, a portion of the compressor flow is thus recirculated as a primary fluid flow.
  • the primary fluid stream is derived from a compressor stream of another turbomachine.
  • This embodiment is particularly advantageous when the first turbomachine and the further turbomachine are each aircraft engines of an aircraft. Depending on the attitude, flow instabilities can often occur to varying degrees in the various engines of an aircraft.
  • the invention then makes it possible to stabilize the compressor flow of the first, more unstable engine by means of the ejector effect and a primary mass flow supplied from the compressor system of the second, more stable engine.
  • the second turbomachine may, for example, also be an auxiliary gas turbine of the aircraft.
  • the primary fluid flow can be supplied from an external pressure accumulator. This embodiment is particularly advantageous in an application of the invention in process engineering plants.
  • the primary fluid stream and / or the secondary fluid stream are introduced into the mixing area such that the resulting fluid stream at least partially occurs on the paddle wheel.
  • the resulting fluid flow can be targeted to the impeller.
  • the paddle wheel comprises a plurality of blades, and the resulting fluid stream is supplied to the compressor stream such that the resulting fluid stream impinges the paddle wheel in the region of the blade tips of the blades.
  • the resulting fluid flow is supplied to the compressor flow along an edge region of the compressor flow.
  • the resulting fluid flow may be supplied to the compressor flow along a peripheral region of the compressor flow or along a peripheral region of a flow passage defined by the compressor casing.
  • the direction of the resulting fluid stream is substantially coincident with the direction of the primary fluid stream.
  • the directivity of a fast and high pressure outflowing primary fluid flow can be used in this way to specifically target the blades, in particular the blade tips, of the blade wheel.
  • the mixing area may be at least partially outside the compressor housing and / or outside an outer wall of a flow channel defined by the compressor housing.
  • the mixing area is completely outside the Flow channel.
  • the resulting fluid flow from the mixing region can be conducted via a supply line into the compressor flow and in the direction of the impeller.
  • the mixing region lies completely outside the flow channel and is connected to the flow channel via openings in the outer wall of the flow channel.
  • the mixing region can also be located at least partially in a flow channel which is defined by the compressor housing.
  • This configuration has the advantage of facilitating the feeding of the resulting fluid flow into the compressor flow and toward the impeller.
  • such a system can be integrated with little effort into existing compressor housing.
  • the compressor housing defines a flow channel, wherein the mixing region is at least partially closed with respect to the flow channel.
  • the mixing region may comprise a mixing chamber, which is preferably at least partially closed with respect to the flow channel.
  • a closed mixing area promotes the ejector effect and the formation of a stable resulting fluid flow.
  • the mixing region comprises a plurality of mixing chambers, which are preferably arranged along a peripheral region of the compressor flow.
  • the feeding of the resulting fluid flow over a plurality of mixing chambers along the peripheral region of the compressor flow allows a particularly effective stabilization of the compressor flow in the edge region of the compressor housing.
  • the method comprises impinging the impeller at a predetermined angle, in particular a variable angle.
  • the resulting fluid stream may be oriented to impinge on the blade substantially perpendicularly or at an angle ⁇ to a blade axis of a blade of the blade wheel and / or at an angle ⁇ to a plane of the blade wheel.
  • An angle ⁇ of zero degrees may mean that the resulting fluid flow is directed in the direction of rotation of the blade.
  • An angle of 180 degrees may mean that the resulting fluid flow is directed counter to the direction of travel of the blade.
  • the angle ⁇ is preferably in a range of 20 ° to 160 °, and more preferably in a range of 90 ° to 140 °.
  • the angle may be varied depending on a rotational speed of the paddle wheel, preferably in a range of 20 degrees to 160 degrees, and more preferably in a range of 90 degrees to 140 degrees.
  • the air injection and thus the stabilization of the compressor flow can be adjusted exactly to the operating state of the compressor.
  • an admixing ratio of a quotient of a mass flow of the secondary fluid flow and a mass flow of the primary fluid flow is at least one, preferably at least three and particularly preferably at least ten.
  • An inventive device for providing a fluid flow to a compressor system of a turbomachine comprises a compressor housing which defines a flow channel in which at least one paddle wheel is arranged, and a first supply line for a primary fluid flow, wherein the first supply line has a first input for the primary fluid flow, and having a first output, wherein the first output is in fluid communication with the flow channel upstream of the impeller, and a second supply line for a secondary fluid flow, wherein the second supply line has a second input, which with a Exterior of the compressor housing in fluid Connection and having a second outlet, which is in fluid communication with the flow channel upstream of the impeller, wherein the first output and the second output are arranged such that the secondary fluid flow at least partially with the primary fluid flow to a directed to the paddle wheel resulting fluid flow mixes.
  • upstream and downstream in the context of the invention in relation to a compressor flow, which passes through the compressor housing of the compressor system during operation of the turbomachine.
  • the configuration of the compressor system or the impeller specifies the flow direction with which the compressor housing is flowed through during operation.
  • the first inlet downstream of the paddle wheel is in fluid communication with the flow channel of the turbomachine.
  • the first input is in fluid communication with a compressor stage of another turbo-machine.
  • the first input is in fluid communication with an external pressure source.
  • first output and the second output are arranged relative to each other such that the primary fluid stream promotes the secondary fluid flow, in particular promotes it by pulse exchange.
  • the second output may be arranged adjacent to the first output, in particular be arranged directly adjacent.
  • the first output and / or the second output are arranged in an edge region of the flow channel.
  • the first exit is directed to the paddle wheel so that the resulting fluid stream impinges on the paddle wheel.
  • the second supply line is separated from the flow channel, in particular different from the flow channel.
  • the first output is disposed within the flow channel.
  • the first output may be aligned in the direction of the paddle wheel.
  • the device comprises a mixing line, which has a third input and has a third output, wherein the third input faces the first output and the third output is in fluid communication with the flow channel.
  • the third outlet may be located in the flow channel and aligned in the direction of the impeller.
  • the mixing pipe can serve to connect a mixing region, in which the secondary fluid stream mixes with the primary fluid stream, to the flow channel and to align the resulting fluid stream with the blade wheel.
  • the mixing pipe can also serve as a diffuser.
  • the third input has a diameter D, and a distance a between the first output and the third input is at least -3 D, preferably at least 0 and more preferably at least 2 D, wherein a negative distance indicates that the third input is upstream of the first output.
  • the inventors have recognized that a particularly high mixing ratio can be achieved in this distance range.
  • the distance a is not greater than 5 D, preferably not greater than 4 D.
  • a ratio between a cross-sectional area of the third input and a cross-sectional area of the first output is at least 1 to 1, preferably at least 5 to 1 and particularly preferably at least 10 to 1. In one development of the invention, the ratio between the cross-sectional area of the third input and the cross-sectional area of the first output is not greater than 100 to 1, preferably not greater than 60 to 1 and particularly preferably not greater than 40 to 1.
  • the inventors have recognized that a particularly effective ejector effect and a high admixing ratio can be achieved with these cross-sectional ratios.
  • the first exit and / or the third exit are oriented substantially perpendicular to a blade axis of a blade of the paddle wheel and / or at an angle to a plane or axis of the paddle wheel.
  • the device may in particular be adapted to vary the angle as a function of a rotational speed of the paddle wheel, preferably in a range of 20 degrees to 160 degrees, particularly preferably in a range of 90 degrees to 140 degrees.
  • the device according to the invention may preferably have a plurality of first outlets and / or a plurality of second outlets, which are arranged along a circumferential region of the flow duct.
  • the first outputs and / or the second outputs may be arranged along an inner peripheral side of the compressor housing.
  • first and / or second outputs make it possible to direct the resulting fluid flow distributed over the entire edge region of the compressor flow or flow channel to the impeller, so that a particularly effective stabilization of the flow can be achieved.
  • a main injector can feed several injection nozzles.
  • the plurality of first outputs may be connected to a common first supply line for a primary fluid flow.
  • a plurality of first supply lines may be provided for the primary fluid flow, which are respectively in fluid communication with a pressure source, in particular with the flow channel downstream of the impeller, and provide primary fluid streams at the respective outlets.
  • the plurality of second outputs can be in fluid communication with an outer region of the compressor housing via a common second supply line or separate second supply lines.
  • the device according to the invention comprises a mixing region, which is in fluid communication with the flow channel upstream of the impeller and into which the first outlet and the second outlet flow.
  • the mixing area allows mixing of the secondary fluid flow supplied from the outside of the compressor housing with the e.g. downstream of the impeller from the compressor system tapped primary fluid flow to the resulting fluid flow, which can be passed from the mixing area in the compressor stream and in the direction of the paddle wheel.
  • the device according to the invention can therefore be characterized alternatively via this mixing region and its design.
  • the invention therefore also relates to a device for providing a fluid flow to a compressor system of a turbomachine with a compressor housing, which defines a flow channel in which at least one paddle wheel is arranged, and with at least one mixing region, which upstream of the paddle wheel with the flow channel is in fluid communication, and having a first supply line for a primary fluid flow, wherein the first supply line is in fluid communication at a first input to a pressure source and is in fluid communication at a first output to the mixing region, and to a second supply line for a secondary Fluid flow, wherein the second supply line is at a second input in fluid communication with an outer region of the compressor housing and is in fluid communication with the mixing region at a second output.
  • the first supply line is in fluid communication with the flow channel at its first inlet downstream of the impeller.
  • the first supply line is at its first input in fluid communication with a flow channel of another turbomachine.
  • the pressure source can also be an external pressure source.
  • the mixing region comprises a mixing chamber which lies at least partially within the flow channel.
  • the mixing chamber comprises a chamber wall which separates the mixing chamber from the flow channel.
  • the mixing area can also have a mixing chamber which lies at least partially in the compressor housing and outside the flow channel.
  • the mixing chamber can have a chamber outlet, which is preferably arranged within the flow channel.
  • the mixing region may include a mixing conduit having a third inlet and a third outlet, the third inlet facing the first outlet and the third outlet fluidly communicating with the flow channel, in particular in the flow channel and oriented towards the impeller is.
  • the third input may have a diameter D, and a distance a between the first output and the third input may be at least -3 D, preferably at least 0, and particularly preferably at least 2 D, with a negative distance indicating that the third input is upstream of the first output.
  • a is not greater than 5 D, preferably not greater than 4 D.
  • the third exit is oriented substantially perpendicular to a blade axis of a blade of the blade wheel and / or at an angle to a plane of the blade wheel.
  • the angle is preferably in a range of 20 ° to 160 °, more preferably in a range of 90 ° to 140 °.
  • the apparatus may be arranged to vary the angle as a function of a rotational speed of the paddle wheel, preferably to vary in a range of 20 degrees to 160 degrees, more preferably in a range of 90 degrees to 140 degrees.
  • the mixing chamber may be a chamber inlet area A e i n, formed by a cross-sectional area of the second output, and a Kammerauslass Chemistry A, formed by a chamber outlet, which is preferably disposed within the flow channel have, where Ain / A> 1, preferably A e i n / A from > 3 and particularly preferably A e i n / A from > 10.
  • the compressor system is an axial compressor.
  • the compressor can be used in particular in an engine, preferably in an aircraft engine.
  • Fig. 1 illustrates in a schematic representation the rotating flow separation in a compressor grid
  • FIG. 2 schematically illustrates the principle of ejector injection for stabilizing a compressor flow in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a compressor system with a blow-in system for supplying a stabilizing fluid flow along the edge region of the flow channel in accordance with an embodiment of the present invention
  • Figure 4 illustrates, by means of a schematic cross-sectional view, the angular relationship between the blades of the paddle wheel and the impinging resultant fluid flow
  • Fig. 5 is a schematic sectional view of the blow-in system of the embodiment of Figs. 3 and 4; and Fig. 6 shows a schematic sectional view of an alternative injection system according to an embodiment of the present invention.
  • the method according to the invention or the device according to the invention for providing a resulting fluid flow to a compressor system will be described below using the example of a compressor system for an aircraft engine.
  • the invention is not limited to this application.
  • the use according to the invention of the ejector effect enables a stabilization of the compressor flow or a reduction of flow instabilities, as it is, for example, the rotating flow separation, in all conventional gas compressor systems.
  • These include in particular compressor systems, such as are used in large numbers in process engineering plants, in particular stationary gas turbines for power generation.
  • the invention is based on the finding that the single-bubble mass flow takes advantage of the ejector effect can increase many times at preferably constant recirculation onsstrom. As a result, improved stabilization of the compressor flow can be achieved even with comparatively small recirculation flows and thus low losses in efficiency.
  • the ejector effect is based on the fact that a fast primary mass flow accelerates and demands the surrounding fluid through a momentum transfer.
  • the ejector effect is characterized by the so-called mixing ratio ⁇ , the quotient of the secondary mass flow (sec) and the primary mass flow (prim), m sec
  • the mixing ratio ⁇ describes the efficiency of the ejector.
  • the ejector effect is used in various industrial applications. Detailed numerical simulations and experimental studies on the basic effect of ejectors are provided by the inventors in articles B. Muth et al, "Basic Study of the Ejector Effect, Part 1: CFD ", 47th AIAA / ASMI / SAE / ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 31.07.-03.08.2011, San Diego, and M. Stêtel et al .:” Basic Study of the Ejector Effect, Part 2 : Experimental Approach, ibid., But not in connection with the stabilization of a compressor flow. The invention is based on the new and surprising finding that an ejector effect can advantageously also be used to stabilize the compressor flow.
  • FIG. 1 The principle of using the ejector effect to increase the injection flow to a compressor system is shown in FIG.
  • the blow-in system 10 is arranged upstream of a paddle wheel 12 of a compressor stage, of which only the blades 14 are shown for the sake of clarity.
  • the impeller 12 is rotatably supported about a rotation axis A, which coincides with the symmetry axis of the compressor system.
  • the plane of the blades 14 (shown in section in FIG. 2) is inclined with respect to the direction A in each case.
  • the sparging system 10 directs a primary fluid stream 16 through a nozzle 18 toward the blades 14 of the paddle wheel 12.
  • the primary fluid stream 16 is withdrawn from the compressor system downstream of the paddle wheel 12 (not shown in FIG. 2).
  • the injection system 10 further comprises a supply line from the outer region of the compressor, of which only the output openings 20 are shown in FIG. Through the supply line and its outlet openings, the primary fluid stream 16 sucks a secondary fluid stream 22 as it flows out of the nozzle 18.
  • the secondary fluid stream 22 contacts the primary fluid stream 16 in a mixing tube 24 located between the outlet of the nozzle 18 and the blades 14 of the paddle wheel 12 and is accelerated by the primary fluid stream 16.
  • the mixing tube 24 can additionally act as a diffuser.
  • the primary fluid stream 16 and the secondary fluid stream 22 mix in the mixing tube 24 to a resulting fluid flow, which flows against the blades 14 of the impeller 12.
  • the ejector effect in which the primary fluid stream 16 conveys a secondary fluid stream 22 from the exterior of the compressor system, results in a significant increase in the overall mass flow of the injection and thus in an increase in the efficiency of the engine process.
  • FIG. 3 is a perspective, partially sectioned view of a compressor system of an aircraft engine with a blow-in system according to the invention.
  • a compressor system A turbomachine generally comprises a plurality of compressor stages with a multiplicity of paddle wheels 12 arranged along the flow passage or the common axis of rotation A, and respective downstream stators.
  • the basic structure of such a compressor system as described in the introduction with reference to the prior art, is known in the art and not shown in detail in Fig. 3 for reasons of clarity.
  • the compressor system comprises a substantially cylindrical compressor housing 26, which defines in its interior a flow channel 28, which is flowed through by the compressor stream 30 in operation.
  • the paddle wheel 12 is rotatably mounted with the blades 14.
  • the blade surfaces are inclined relative to the axis of rotation A of the paddle wheel 12.
  • the impeller 12 is rotated and promotes due to the profiling of the blades 14, the air entering the flow channel 28 toward a downstream downstream stator or to subsequent compressor stages, so that a compressor flow 30 through the flow channel 28 sets.
  • the air is compressed so that the pressure downstream of the impeller 12 exceeds the pressure upstream of the impeller.
  • the primary fluid stream 16 downstream of the impeller 12 is branched off from the compressor stream 30 and returned to a mixing region upstream of the impeller 12 via first supply lines 32, which are partially disposed in the compressor housing 26.
  • the mixing area comprises a plurality of mixing chambers 34 which are arranged at equidistant intervals along a circumference of the inner wall of the compressor housing 26.
  • Each of the mixing chambers 34 includes inlet openings 20 for a secondary fluid stream 22 which the primary fluid stream 16 draws from the exterior of the compressor housing 26.
  • the structure and the configuration of the mixing chambers can be seen in the enlarged detail of FIG. 3 in more detail.
  • the mixing chambers 34 comprise a mixing chamber wall 36, which closes off a chamber interior in relation to the flow channel 28.
  • the output of the first supply line 32 opens into the chamber interior, in which the primary fluid stream 16 mixes with the secondary fluid stream 22.
  • the resulting fluid stream is directed via chamber outlet openings 38 at a predetermined angle towards the paddle wheel 12 so that it flows against the paddles 14.
  • the cam- it is also possible for the outlet openings 38 to be adjustable, so that the blades 14 of the blade wheel 12 can flow at different angles.
  • FIG. 4 illustrates the angular relationship during the flow of the blades 14 on the basis of a sectional drawing along the line B-B of FIG. 3.
  • the blade wheel 12 rotates along a direction of rotation U in a circulation plane 40, which lies perpendicular to the shaft axis A or to the compressor flow 30.
  • the blades 14 are inclined with respect to the orbital plane 40 by an angle ⁇ , which may depend on the configuration of the compressor system and the compressor stage.
  • the resulting fluid flow provided from the mixing chambers 34 via the chamber outlet openings 38 flows the blades 14 of the blade wheel 12 substantially perpendicular to a blade axis 42 and at an angle ⁇ to the orbital plane 40 of the blade wheel 12.
  • the adjustable chamber outlet openings 38 make it possible to select or vary the inflow angle ⁇ as a function of the rotational speed of the blades 14 and / or the operating state of the compressor system, in order to allow dynamic stabilization of the compressor flow 30 in this way.
  • the resulting fluid flow can be directed onto the blades 14 with a component in the running direction or else with a component counter to the running direction.
  • the inflow angle ⁇ can be varied in a range from 20 ° to 160 °, particularly preferably in a range from 90 ° to 160 ° and in particular in a range from 90 ° to 140 °.
  • the chamber outlet openings 38 are arranged such that the airfoils 14 are flowed in the axial direction.
  • the chamber outlet openings 38 can also be aligned in such a way that the airfoils 14 are flown at an angle ⁇ (not shown), measured in the radial direction to the blade axis 42.
  • the angle ⁇ is in the range between 45 ° and 135 °.
  • the plurality of mixing chambers 34 arranged along the peripheral region of the flow channel 28 make it possible to feed the stabilizing ejector stream almost uniformly over the entire peripheral region of the blade wheel 12 and thus to allow it to flow in the blade tip.
  • FIG. 5 shows the injection apparatus described above with reference to FIGS. 3 and 4 in a schematic cross-sectional drawing.
  • the limited by a housing wall of the compressor housing 26 flow channel 28 is flowed through in the illustration of FIG. 5 in the operation of the compressor system from left to right of the compressor stream 30.
  • a plurality of paddle wheels 12, 12 ', 12 " which correspond in their structure and function to the paddle wheel 12 described with reference to FIG. 3, are connected in series in the flow direction
  • the paddle wheels 12, 12 ', 12 "downstream of each can be downstream, are not shown in Fig. 5 for reasons of clarity.
  • first primary fluid flow supply line 32 having a first input 44 for diverting the primary fluid flow 16 from the flow passage 28 downstream of the paddle wheels 12, 12 ', 12' ' entering at the inlet 44 primary fluid flow 16 outside the wall of the flow channel 28 on the paddle wheels 12, 12 ', 12 "over and then through the wall of the flow channel 28 through a deflection portion 46 and an outlet 48, which may be formed as a nozzle into the mixing chamber 34, which is formed upstream of the impeller 12 on the inside of the wall of the compressor housing 26 and is separated by the mixing chamber wall 36 against the flow channel 28.
  • the primary fluid flow 16 exits the outlet opening 48 in the direction of the blade tip region of the blade wheel 12.
  • the outlet opening 38 of the mixing chamber 34 forms a mixing tube 24, the inlet opening 50 of the outlet opening 48 is preferably opposite concentrically and the output opening 52 is directed in the direction of the blade tips of the impeller 12.
  • the mixing chamber 34 is in fluid communication with an outside area of the compressor housing via a second supply line 54.
  • the high-velocity exit from the nozzle 48 primary fluid flow 16 sucks via the second supply line 54 air from the outer region of the compressor housing 26 as a secondary fluid stream 22 in the mixing chamber 34.
  • the secondary fluid stream 22 comes into contact with the primary fluid flow 16, is accelerated by the primary fluid flow 16 and mixed with him to a resulting fluid flow 56, which the mixing tube 24 through the output port 52 in Direction of the paddle wheel 12 leaves.
  • the mixing tube 24 may act as a diffuser and has a cross-sectional area which exceeds the cross-sectional area of the output 48 of the first lead 32 by 2 times, preferably more than 2 times or more.
  • the distance between the output 48 of the first supply line 32 and the inlet opening 50 of the mixing tube 24 is preferably in the range between 2 D and 4 D, wherein D denotes a diameter of the mixing tube 24.
  • D denotes a diameter of the mixing tube 24.
  • the distance a can be made smaller.
  • the output 48 of the first supply line 32 can also project into the mixing tube 24, so that the distance becomes negative. The compactness of an aircraft engine can severely limit the ratio.
  • the mixing tube 24 may include at its output port 52 movable parts (not shown) to direct the resulting fluid stream 56 to the blades 14 of the paddle wheel 12 at a predetermined angle ⁇ , depending on the operating state of the compressor system, as previously described with reference to FIG Figures 3 and 4 has been described.
  • Fig. 6 shows an alternative embodiment of a compressor system according to the invention, which is substantially similar to the embodiment described above with reference to Fig. 5 and differs only in the design of the mixing region.
  • the mixing region in the embodiment of FIG. 6 is at least partially outside the flow channel 28 and within the compressor housing 26.
  • the first supply line 32 opens into this Configuration within the compressor housing 26 into the mixing chamber 34.
  • the primary fluid stream 16 sucks a secondary fluid stream 22 via a second supply line (not shown) in the mixing chamber 34th
  • the mixing chamber 34 includes a mixing tube 24 'in which the secondary fluid stream 22 mixes with the primary fluid stream 16 to form the resulting fluid stream 56.
  • the mixing tube 24 passes through the wall of the compressor housing 26 and redirects the resulting fluid flow 56 in the direction of the impeller 12.
  • the mixing tube 24 'of the embodiment of Fig. 6 otherwise does not differ from the mixing tube 24, as previously described with reference to FIG.
  • An advantage of the configuration of FIG. 6, in which the mixing chamber is at least partially located outside the compressor housing 26, is that the sparging system requires no or minimal interference with the flow channel 28.
  • the chamber outlet openings 38 can only consist of slots in the wall of the flow channel 28, which are designed and arranged such that they guide the resulting fluid flow 56 in the direction of the impeller 12. This configuration has the advantage that the flow channel 28 remains completely free.

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Abstract

Ein Einblasesystem für das Verdichtersystem einer Turbomaschine, bei welchem ein rezirkulierter oder extern zugeführter Primärmassenstrom unter Ausnutzung des Ejektoreffekts einen Sekundärmassenstrom aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses fordert, ermöglicht eine wirksame Stabilisierung des Verdichterstromes und wirkt einer rotierenden Strömungsablösung an den Verdichterschaufeln entgegen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung eines Verdichterstroms
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluidstroms an ein Verdichtersystem einer Turbomaschine, insbesondere zur Stabilisierung eines Verdichterstroms an bzw. in einem Flugzeugtriebwerk.
Hintergrund und Stand der Technik
Turboverdichter, auch Turbokompressoren genannt, sind wesentliche Bestandteile von Turbomaschinen, beispielsweise von Flugzeugtriebwerken, Gasturbinen in Kraftwerken oder anderen prozesstechnischen Anlagen.
Ein Flugtriebwerk umfasst im Wesentlichen einen Verdichter, eine Brennkammer, eine Turbine und eine Schubdüse. Diese Komponenten sind hintereinander in Strömungsrichtung angeordnet. Dem Verdichter kommt die Aufgabe zu, in das Triebwerk gesaugte Umgebungsluft zu verdichten und an die Brennkammer weiterzugeben. In der Brennkammer wird die verdichtete Luft mit Treibstoff vermischt und das Gemisch entzündet. Das dabei expandierende Gas entweicht und treibt die Turbine an, welche wiederum über eine Welle mit dem Verdichter verbunden ist, um diesen anzutreiben. Das expandierende Gas entweicht über eine Schubdüse und erzeugt den Vortrieb.
Verdichter, wie sie in Flugtriebwerken Verwendung finden, bestehen üblicherweise aus einem zylinderförmigen Gehäuse, welches in seinem Inneren einen Strömungskanal für die verdichtete Luft definiert. Das Gehäuse umfasst eine Öffnung zum Lufteinlass an seinem axial vorderen Ende und eine Öffnung zum Luftauslass vorzugsweise an die Brennkammer an seinem axial hinteren Ende. Entlang der Gehäuseachse verläuft die Welle, auf der hintereinander in axialer Richtung mehrere von der Turbine angetriebene Schaufelräder angeordnet sind. Jedes Schaufelrad besteht aus einer Vielzahl von im Wesentlichen identischen, profilierten Schaufeln, deren Ebene gegenüber der Axialrichtung geneigt ist. Drehen sich die Schaufeln um die Welle, kommt es aufgrund der Geometrie der Schaufeln zu einem Lufttransport durch den Verdichterkanal, und die Luft stromabwärts hinter dem Schaufelrad wird bzw. ist gegenüber der Luft stromaufwärts vor dem Schaufelrad verdichtet. Im Betriebszustand besteht daher an jedem Schaufelrad ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis zwischen dem Luftdruck stromabwärts des Schaufelrads und dem Luftdruck stromaufwärts des Schaufelrads. Dieses Verdichtungsverhältnis hängt beispielsweise von der Schaufelradgeometrie und/oder der Umdrehungsgeschwindigkeit des Schaufelrads ab.
Üblicherweise werden in der Praxis mehrstufige Verdichter eingesetzt, bei welchen mehrere Schaufelräder im Verdichterkanal hintereinander geschaltet sind, um die in den Verdichter strömende Luft schrittweise auf das gewünschte Druckniveau zu verdichten.
Eine Steigerung des Komponentenwirkungsgrads des Verdichters birgt erhebliche Potentiale für die gesamte Turbomaschine. Triebwerkshersteller sind daher bemüht, mit Hilfe moderner Auslegungsverfahren die Gestaltung der Verdichterstufen, insbesondere der Schaufelkonturen, weiter zu optimieren und auf diese Weise eine höhere Energieumsetzung auf das strömende Fluid zu erzielen. Diesem Streben sind allerdings physikalische Grenzen gesetzt. Aerodynamisch zu stark belastete Verdichtergeometrien neigen verstärkt zu einer Strömungsablösung an den Verdichterschaufeln, welche zu Beschädigungen des Triebwerks bis hin zu einem Triebwerksausfall führen kann. Bei der Auslegung von Verdichtern muss daher stets auf einen ausreichenden Sicherheitspuffer geachtet werden, damit selbst unter hoher Triebwerkslast und in extremen Flugsituationen ein Strömungsabriss vermieden werden kann. Ein Absenken der stationären Betriebslinie weit unter die Stabilitätsgrenze des Triebwerks bietet einen ausreichenden Schutz gegen sicherheitskritische Betriebszustände, verringert jedoch das erreichbare Verdichtungsverhältnis und begrenzt damit den Wirkungsgrad des Systems.
Der stabile Arbeitsbetrieb eines Turboverdichters wird durch verschiedene Faktoren limitiert. Zustromstörungen oder transiente Laständerungen können die Strömung im Triebwerk ungünstig beeinflussen. Eine weitere Ursache für die häufig mit zunehmender Alterung des Triebwerks beobachtete Verschlechterung des Stabilitätsverhaltens ist ein sich vergrößernder Abstand zwischen Gehäuse und Rotor (sogenannter Radialspalt).
Diese Faktoren können lokale Fehlanströmungen der Schaufelräder hervorrufen, die zu einer Ablösung der Strömung auf der Saugseite des Verdichterprofils führen können. Dadurch kann die betreffende Schaufelpassage blockiert werden. Zunächst ist von der Blockage üblicher- weise lediglich der gehäusenahe Bereich betroffen, was ein Absenken der Strömung sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung zur Folge hat. Sobald dieser Zustand erreicht wird sinkt das Verdichterdruckverhältnis aufgrund der mangelnden Arbeitsumsetzung in dieser Schaufelpassage deutlich ab und an deren Austritt entsteht eine stark gestörte Strömung. Der Druckverlust nimmt dabei stromabwärts über die Stufen des Verdichters kontinuierlich zu.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine solche Ablösung der Strömung in einem Verdichtergitter. Durch die vorangehend beschriebene Strömungsablenkung verändern sich die Inzi- denzwinkel α von Schaufelprofil zu Schaufelprofil , bis schließlich beim benachbarten Profil ein kritischer Inzidenzwinkel erreicht wird, der zu einer Ablösung der Strömung an diesem Profil führt. Das Ausweichen des Fluids bewirkt, dass die anfangs betroffene Schaufelpassage nun wieder in ausreichendem Maße angeströmt und entlastet wird, so dass die Ablösung und damit die Verblockung der Passage aufgehoben werden können. Die Störung setzt sich zur nächsten Schaufel fort und wandert entgegen der Rotordrehrichtung durch das Verdichtergitter. Eine solche Störung, bei welcher Bereiche mit verringertem Massendurchsatz mit einer Geschwindigkeit kleiner als der Rotordrehzahl umlaufen, wird im Allgemeinen als rotierende Strömungsablösung (englisch„rotating stall") bezeichnet.
Eine wirksame Methode, um die Luftströmung durch den Verdichter zu stabilisieren und der rotierenden Strömungsablösung entgegenzuwirken, besteht im Einblasen zusätzlicher Luft im Schaufelspitzenbereich, wie sie beispielsweise in S. Bindl et al.,„Active Stall Elimination by Air Injection onto the Tip Region of Compressor Blades", ISABE-2009-1 105, Proceedings of the 19th International Symposium on Air Breathing Engines, Montreal, September 2009, beschrieben ist. Durch das gezielte Einblasen von Luft wird die Strömung in Gehäusenähe ener- getisiert und damit stabilisiert. Die eingeblasene Luft kann aus einer höheren Verdichter-stufe des Verdichters, aus einem weiteren Triebwerk oder aus einer anderen externen Quelle entnommen werden. Bei Entnahme aus einem anderen Triebwerk oder einer stromabwärts liegenden Verdichterstufe des Verdichters sinkt jedoch dessen Wirkungsgrad, da die entnommene Luft nicht mehr für die Schuberzeugung zur Verfügung steht. Auch bei einer Rezirkulation und einer Ausnutzung der entdrosselnden Wirkung bei der Entnahme der Luft in den hinteren Verdichterstufen ist es zweckmäßig, die Luftmengen zu limitieren. Anderenfalls werden die nachfolgenden Komponenten des Triebwerks in ihrem Wirkungsgrad stark beeinträchtigt. Zudem kann die abgezapfte Luft aus den stromabwärts liegenden Verdichterstufen aufgrund der Kompression bereits hohe Temperaturen erreichen, auf welche die vorderen Verdichterstufen oft baulich nicht ausgelegt sind. Auch die unerwünschte Erwärmung begrenzt den rezirkulierten Luftmassenstrom und daher den stabilisierenden Effekt der Lufteinblasung.
Im Hinblick auf die vorgenannten Probleme stellt sich die Erfindung daher die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Stabilisierung der Luftströmung durch den Verdichter bereitzustellen und dadurch den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern.
Überblick über die Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluid-Stroms an ein Verdichtersystem einer Turbomaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 1 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Fluid-Stroms an ein Verdichtersystem einer Turbomaschine, wobei das Verdichtersystem wenigstens ein Verdichtergehäuse umfasst, in welchem wenigstens ein Schaufelrad angeordnet ist und welches von einem Verdichterstrom durchströmt wird, mit den Verfahrensschritten des Zuführens eines primären Fluid-Stroms in einen Mischbereich des Verdichtersystems und des Zuführens eines sekundären Fluid-Stroms aus einem Außenbereich des Verdichtergehäuses in den Mischbereich, so dass sich der sekundäre Fluid-Strom zumindest teilweise mit dem primären Fluid- Strom zu einem resultierenden Fluid-Strom mischt, sowie des Zuführens des resultierenden Fluid-Stroms aus dem Mischbereich in den Verdichterstrom stromaufwärts des Schaufelrads in Richtung auf das Schaufelrad.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich durch Zuführen eines sekundären Fluid-Stroms aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses ein primärer Fluid-Strom, welcher höher verdichtet ist als der sekundäre Fluid-Strom, anreichern lässt, so dass der resultierende Fluid-Strom den Verdichterstrom im Bereich des Schaufelrades wirkungsvoll stabilisiert. Aufgrund des Zuführens des sekundären Fluid-Stroms kann eine wirksame Stabilisierung schon mit einem vergleichsweise kleinen primären Fluid-Strom erreicht werden, so dass die mit Bezug auf den Stand der Technik beschriebenen Nachteile einer Verringerung des Wirkungsgrads des Ver- dichtersystems sowie einer übermäßigen Erwärmung der vorderen Verdichterstufen verringert werden.
Das Mischen des primären Fluid-Stroms mit dem sekundären Fluid-Strom kann dabei derart erfolgen, dass der primäre Fluid-Strom den sekundären Fluid-Strom fördert, insbesondere durch Impulsaustausch fördert. Insbesondere kann der sekundäre Fluid-Strom in dem Mischbereich mit dem primären Fluid-Strom in Kontakt treten und durch den primären Fluid-Strom beschleunigt werden, so dass nach einer zumindest teilweisen Durchmischung des primären und sekundären Fluid-Stroms der resultierende Fluid-Strom entsteht. Dieser Effekt wird im Allgemeinen als Ejektoreffekt bezeichnet.
Der primäre Fluid-Strom durchläuft den Mischbereich, bevor er über oder stromaufwärts des Schaufelrads in den Verdichterstrom eingespeist wird, und kann je nach Auslegung des Verdichtersystems sowie der Strömungsgeschwindigkeit einen sekundären Fluid-Strom ansaugen, dessen Massenstrom einem Vielfachen des Primärmassenstroms entspricht. Der sekundäre Fluidstrom wird von außen in den Mischbereich zugeführt, d.h. vorzugsweise über eine externe Zuleitung und nicht durch die vorgeschalteten Stufen des Verdichtersystems bzw. durch die Haupteinlassöffnung des Verdichtergehäuses, und erhöht damit den zur Stabilisierung des Verdichterstroms zur Verfügung stehenden Massenstrom, ohne dass die Effizienz des Verdichtersystems abnimmt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der sekundäre Fluid- Strom von dem Verdichterstrom verschieden.
Im Sinne der Erfindung sind die Begriffe„stromaufwärts" bzw.„stromabwärts" mit Bezug auf den Verdichterstrom zu verstehen, von welchem das Verdichtergehäuse durchströmt wird. Die stromaufwärtige Seite des Schaufelrades ist daher diejenige Seite, welche dem Eingang des Verdichtersystems oder einer vorgeschalteten Verdichterstufe zugewandt ist. Die stro- mabwärtige Seite des Schaufelrads ist dementsprechend die dem Ausgang bzw. einer nachgeschalteten Verdichterstufe zugewandte Seite des Schaufelrades.
Das Schaufelrad trennt denjenigen Bereich stromabwärts des Schaufelrads, aus welchem der primäre Fluid-Strom abgeleitet wird, von demjenigen Bereich stromaufwärts des Schaufelrads, in welchen nach der Beimischung des sekundären Fluid-Stroms der resultierende Fluid- Strom in den Verdichterstrom zurückgespeist wird. In Ausführungsformen der Erfindung können diese Bereiche auch durch mehr als ein Schaufelrad bzw. durch mehrere Verdichter- stufen voneinander getrennt sein. Der Druckunterschied zwischen dem Bereich, in welchem der primäre Fluid-Strom abgeleitet wird, und dem Bereich, in welchen das resultierende Flu- id-Gemisch eingespeist wird, ist dann entsprechend höher, so dass auch die Strömungsgeschwindigkeit und die Massenflussrate des primären Fluid-Stromes entsprechend zunehmen. Dies kann den Ejektoreffekt verstärken.
Die Begriffe„Innenbereich" und„Außenbereich" des Verdichtergehäuses können im Rahmen der Erfindung auf eine Radialrichtung senkrecht zur Gehäuseachse bzw. Welle des Verdichters bezogen sein. Der Innenbereich liegt dann näher an der Gehäuseachse bzw. Drehachse der Welle als der Außenbereich und umfasst insbesondere den Strömungskanal für den Verdichterstrom. Der Außenbereich des Verdichtergehäuses umfasst den Bereich außerhalb des Verdichtergehäuses bzw. die Umgebung, in welcher das Verdichtersystem betrieben wird.
Das Medium des sekundären Fluid-Strom kann dem Medium des primären Fluid-Stroms gleichen. Insbesondere können beide Medien Luft sein. Der primäre Fluid-Strom kann höher verdichtet sein als der sekundäre Fluid-Strom.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der primäre Fluid-Strom aus dem Verdichterstrom der ersten Turbomaschine stromabwärts des Schaufelrads abgeleitet. In dieser Konfiguration wird ein Teil des Verdichterstroms also als primärer Fluid-Strom rezirkuliert.
In einer Ausführungsform wird der primäre Fluid-Strom aus einem Verdichterstrom einer weiteren Turbomaschine abgeleitet. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die erste Turbomaschine und die weitere Turbomaschine jeweils Flugzeugtriebwerke eines Flugzeugs sind. In Abhängigkeit von der Fluglage können in den verschiedenen Triebwerken eines Flugzeugs Strömungsinstabilitäten oft in unterschiedlichem Maße auftreten. Die Erfindung erlaubt es dann, den Verdichterstrom des ersten, instabileren Triebwerks mithilfe des Ejektoreffekts und eines aus dem Verdichtersystem des zweiten, stabileren Triebwerks zuge- führten Primärmassenstroms zu stabilisieren.
Die zweite Turbomaschine kann beispielsweise auch eine Hilfsgasturbine des Flugzeugs sein. In einer weiteren Ausfuhrungsform kann der primäre Fluid-Strom aus einem externen Druckspeicher zugeführt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei einer Anwendung der Erfindung in prozesstechnischen Anlagen vorteilhaft.
Vorzugsweise werden der primäre Fluid-Strom und/oder der sekundäre Fluid-Strom derart in den Mischbereich eingeleitet, dass der resultierende Fluid-Strom zumindest teilweise auf das Schaufelrad auftritt. Insbesondere kann der resultierende Fluid-Strom gezielt auf das Schaufelrad gelenkt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Schaufelrad mehrere Schaufeln, und der resultierende Fluid-Strom wird dem Verdichterstrom derart zugeführt, dass der resultierende Fluid-Strom im Bereich der Schaufelspitzen der Schaufeln auf das Schaufelrad auftrifft.
Wie vorangehend ausgeführt, ist die rotierende Strömungsablösung im Bereich der Schaufelspitzen üblicherweise besonders stark ausgeprägt. Ein stabilisierender Eingriff in die Strömungsverhältnisse verspricht an dieser Stelle besonders großen Erfolg.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der resultierende Fluid-Strom dem Verdichterstrom entlang eines Randbereichs des Verdichterstroms zugeführt. Insbesondere kann der resultierende Fluid-Strom dem Verdichterstrom entlang eines Umfangsbereichs des Verdichterstroms bzw. entlang eines Umfangbereichs eines durch das Verdichtergehäuse definierten Strömungskanals zugeführt werden. Dadurch lässt sich eine Einspeisung des stabilisierenden Fluid-Gemisch-Stromes über den gesamten gehäusenahen und aerodynamisch stark belasteten Bereich erreichen und eine rotiertende Strömungsablösung im Bereich der Schaufelspitzen wirksam vermeiden.
Vorzugsweise stimmt die Richtung des resultierenden Fluid-Stromes im Wesentlichen mit der Richtung des primären Fluid-Stromes überein. Die Richtwirkung eines schnellen und unter hohem Druck ausströmenden primären Fluid-Stromes kann auf diese Weise genutzt werden, um die Schaufeln, insbesondere die Schaufelspitzen, des Schaufelrades gezielt anzuströmen.
In einer Ausführungsform kann der Mischbereich zumindest teilweise außerhalb des Verdichtergehäuses und/oder außerhalb einer Außenwand eines von dem Verdichtergehäuse definierten Strömungskanals liegen. Vorzugsweise liegt der Mischbereich vollständig außerhalb des Strömungskanals. Von dem Mischbereich kann der resultierende Fluid-Strom in diesem Fall über eine Zuführleitung in den Verdichterstrom und in Richtung auf das Schaufelrad geleitet werden. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass der Strömungskanal weitgehend oder vollständig frei bleibt und störende Auswirkungen auf den Verdichterstrom beim Einspeisen des resultierenden Fluid-Stromes vermieden oder zumindest verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführung liegt der Mischbereich vollständig außerhalb des Strömungskanals und ist über Öffnungen in der Außenwand des Strömungskanals mit dem Strömungskanal verbunden.
Der Mischbereich kann in einer Ausführungsform der Erfindung jedoch auch zumindest teilweise in einem Strömungskanal liegen, welcher von dem Verdichtergehäuse definiert wird. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass das Zuführen des resultierenden Fluid-Stromes in den Verdichterstrom und in Richtung auf das Schaufelrad erleichtert wird. Insbesondere kann auf separate Leitungen zum Zuführen des resultierenden Fluid-Stromes aus dem Mischbereich in den Verdichterstrom weitgehend verzichtet werden, so dass der Aufbau des Einblasesystems besonders einfach und kostengünstig ist. Auch lässt sich ein solches System mit geringem Aufwand in bestehende Verdichtergehäuse integrieren.
In einer bevorzugten Weiterbildung definiert das Verdichtergehäuse einen Strömungskanal, wobei der Mischbereich zumindest teilweise gegenüber dem Strömungskanal abgeschlossen ist. Insbesondere kann der Mischbereich eine Mischkammer umfassen, welche vorzugsweise zumindest teilweise gegenüber dem Strömungskanal abgeschlossen ist. Ein abgeschlossener Mischbereich fördert den Ejektoreffekt und die Ausbildung eines stabilen resultierenden Fluid-Stromes.
In einer Weiterbildung umfasst der Mischbereich mehrere Mischkammern, welche vorzugsweise entlang eines Umfangsbereichs des Verdichterstroms angeordnet sind. Das Einspeisen des resultierenden Fluid-Stromes über mehrere Mischkammern entlang des Umfangsbereichs des Verdichterstroms ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Stabilisierung des Verdichterstromes im Randbereich des Verdichtergehäuses.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren das Anströmen des Schaufelrades unter einem vorbestimmten Winkel, insbesondere einem veränderlichen Winkel. Vorzugsweise kann der resultierende Fluid-Strom derart ausgerichtet werden, dass er im Wesentlichen senkrecht oder unter einem Winkel δ zu einer Schaufelachse einer Schaufel des Schaufelrades und/oder unter einem Winkel γ zu einer Ebene des Schaufelrades auf die Schaufel auftrifft.
Ein Winkel γ von null Grad kann dabei bedeuten, dass der resultierende Fluid-Strom in Um- laufrichtung der Schaufel gerichtet ist. Ein Winkel von 180 Grad kann bedeuten, dass der resultierende Fluid-Strom entgegen der Laufrichtung der Schaufel gerichtet ist.
Der Winkel γ liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 160° und besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140°.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Winkel in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades variiert werden, vorzugsweise in einem Bereich von 20 Grad bis 160 Grad und besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90 Grad bis 140 Grad.
Durch Variieren des Winkels, unter welchem der resultierende Fluid-Strom auf das Schaufelrad trifft, lässt sich die Lufteinblasung und damit die Stabilisierung des Verdichterstroms genau auf den Betriebszustand des Verdichters einstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein Zumischverhältnis aus einem Quotienten eines Massenstroms des sekundären Fluid-Stroms und eines Massenstroms des primären Flu- id-Stroms wenigstens eins, vorzugsweise wenigstens drei und besonders vorzugsweise wenigstens zehn.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluid-Stroms an ein Verdichtersystem einer Turbomaschine umfasst ein Verdichtergehäuse, welches einen Strömungskanal definiert, in welchem wenigstens ein Schaufelrad angeordnet ist, sowie eine erste Zuleitung für einen primären Fluid-Strom, wobei die erste Zuleitung einen ersten Eingang für den primären Fluid-Strom aufweist, und einen ersten Ausgang aufweist, wobei der erste Ausgang stromaufwärts des Schaufelrads mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung steht, sowie eine zweite Zuleitung für einen sekundären Fluid-Strom, wobei die zweite Zuleitung einen zweiten Eingang aufweist, welcher mit einem Außenbereich des Verdichtergehäuses in Fluid- Verbindung steht, und einen zweiten Ausgang aufweist, welcher stromaufwärts des Schaufelrads mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung steht, wobei der erste Ausgang und der zweite Ausgang derart zueinander angeordnet sind, dass sich der sekundäre Fluid-Strom zumindest teilweise mit dem primären Fluid-Strom zu einem auf das Schaufelrad gerichteten resultierenden Fluid-Strom mischt.
Die Begriffe„stromaufwärts" bzw.„stromabwärts" sind im Sinne der Erfindung bezogen auf einen Verdichterstrom, welcher das Verdichtergehäuse des Verdichtersystems im Betrieb der Turbomaschine durchsetzt. Die Konfiguration des Verdichtersystems bzw. des Schaufelrades gibt die Strömungsrichtung vor, mit welcher das Verdichtergehäuse im Betrieb durchströmt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform steht der erste Eingang stromabwärts des Schaufelrades mit dem Strömungskanal der Turbomaschine in Fluidverbindung.
In einer weiteren Ausführungsform steht der erste Eingang mit einer Verdichterstufe einer weiteren Turboarbeitsmaschine in Fluidverbindung.
In einer Ausführungsform steht der erste Eingang mit einer externen Druckquelle in Fluidverbindung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Ausgang und der zweite Ausgang derart zueinander angeordnet, dass der primäre Fluid-Strom den sekundären Fluid-Strom fördert, insbesondere durch Impulsaustausch fördert.
Der zweite Ausgang kann dem ersten Ausgang benachbart angeordnet sein, insbesondere unmittelbar benachbart angeordnet sein. Vorzugsweise sind der erste Ausgang und/oder der zweite Ausgang in einem Randbereich des Strömungskanals angeordnet.
Vorzugsweise ist der erste Ausgang auf das Schaufelrad gerichtet, so dass der resultierende Fluid-Strom auf das Schaufelrad auftrifft. Auf diese Weise lässt sich eine besonders wirksame Ejektoreinblasung und Reduktion der rotierenden Strömungsablösung erzielen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Zuleitung von dem Strömungskanal getrennt, insbesondere von dem Strömungskanal verschieden.
Vorzugsweise ist der erste Ausgang innerhalb des Strömungskanals angeordnet. Insbesondere kann der erste Ausgang in Richtung auf das Schaufelrad ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Mischleitung, welche einen dritten Eingang aufweist und einen dritten Ausgang aufweist, wobei der dritte Eingang dem ersten Ausgang zugewandt ist und der dritte Ausgang mit dem Strömungskanal in Fluid- verbindung steht.
In einer Weiterbildung kann der dritte Ausgang in dem Strömungskanal liegen und in Richtung auf das Schaufelrad ausgerichtet sein.
Die Mischleitung kann einerseits dazu dienen, einen Mischbereich, in welchem sich der sekundäre Fluid-Strom mit dem primären Fluid-Strom mischt, mit dem Strömungskanal zu verbinden und den sich resultierenden Fluid-Strom auf das Schaufelrad auszurichten. Die Mischleitung kann auch als Diffusor dienen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der dritte Eingang einen Durchmesser D auf, und ein Abstand a zwischen dem ersten Ausgang und dem dritten Eingang beträgt mindestens -3 D, vorzugsweise mindestens 0 und besonders vorzugsweise mindestens 2 D, wobei ein negativer Abstand anzeigt, dass der dritte Eingang stromaufwärts des ersten Ausgangs liegt. Die Erfinder haben erkannt, dass sich in diesem Abstandsbereich ein besonders hohes Zu- mischverhältnis erreichen lässt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Abstand a nicht größer als 5 D, vorzugsweise nicht größer als 4 D.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Verhältnis zwischen einer Querschnitts- fläche des dritten Eingangs und einer Querschnittsfläche des ersten Ausgangs mindestens 1 zu 1 , vorzugsweise mindestens 5 zu 1 und besonders vorzugsweise mindestens 10 zu 1. In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des dritten Eingangs und der Querschnittsfläche des ersten Ausgangs nicht größer als 100 zu 1, vorzugsweise nicht größer als 60 zu 1 und besonders vorzugsweise nicht größer als 40 zu 1.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich mit diesen Querschnittsverhältnissen ein besonders wirksamer Ejektoreffekt und ein hohes Zumischverhältnis erreichen lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Ausgang und/oder der dritte Ausgang im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaufelachse einer Schaufel des Schaufelrades und/oder unter einem Winkel zu einer Ebene oder Achse des Schaufelrades ausgerichtet.
Die Vorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Winkel in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades zu variieren, vorzugsweise in einem Bereich von 20 Grad bis 160 Grad, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90 Grad bis 140 Grad.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere erste Ausgänge und/oder mehrere zweite Ausgänge aufweisen, welche entlang eines Umfangsbereichs des Strömungskanals angeordnet sind. Insbesondere können die ersten Ausgänge und/oder die zweiten Ausgänge entlang einer Innenumfangseite des Verdichtergehäuses angeordnet sein.
Mehrere erste und/oder zweite Ausgänge erlauben es, den resultierenden Fluid-Strom verteilt über den gesamten Randbereich des Verdichterstromes bzw. Strömungskanals auf das Schaufelrad zu leiten, so dass sich eine besonders wirksame Stabilisierung der Strömung erreichen lässt. Ein Hauptejektor kann mehrere Einblasedüsen speisen.
Die mehreren ersten Ausgänge können mit einer gemeinsamen ersten Zuleitung für einen primären Fluid-Strom verbunden sein. Ebenso können mehrere erste Zuleitungen für den primären Fluid-Strom vorgesehen sein, welche jeweils mit einer Druckquelle, insbesondere mit dem Strömungskanal stromabwärts des Schaufelrades, in Fluidverbindung stehen und primäre Fluid-Ströme an den entsprechenden Ausgängen bereitstellen. Entsprechend können die mehreren zweiten Ausgänge über eine gemeinsame zweite Zuleitung oder jeweils separate zweite Zuleitungen mit einem Außenbereich des Verdichtergehäuses in Fluidverbindung stehen.
In einer Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Mischbereich, welcher stromaufwärts des Schaufelrades mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung steht und in welchen der erste Ausgang und der zweite Ausgang münden.
Wie vorangehend mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wurde, ermöglicht der Mischbereich ein Mischen des aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses zugeführten sekundären Fluid-Stroms mit dem z.B. stromabwärts des Schaufelrads aus dem Verdichtersystem abgezapften primären Fluid-Stroms zu dem resultierenden Fluid-Strom, welcher aus dem Mischbereich in den Verdichterstrom und in Richtung auf das Schaufelrad geleitet werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich daher alternativ über diesen Mischbereich und seine Ausgestaltung charakterisieren.
Die Erfindung bezieht sich daher auch auf eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluid- Stroms an ein Verdichtersystem einer Turbomaschine mit einem Verdichtergehäuse, welches einen Strömungskanal definiert, in welchem wenigstens ein Schaufelrad angeordnet ist, sowie mit zumindest einem Mischbereich, welcher stromaufwärts des Schaufelrades mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung steht, und mit einer ersten Zuleitung für einen primären Fluid-Strom, wobei die erste Zuleitung an einem ersten Eingang mit einer Druckquelle in Fluidverbindung steht und an einem ersten Ausgang mit dem Mischbereich in Fluidverbindung steht, sowie mit einer zweiten Zuleitung für einen sekundären Fluid-Strom, wobei die zweite Zuleitung an einem zweiten Eingang mit einem Außenbereich des Verdichtergehäuses in Fluidverbindung steht und an einem zweiten Ausgang mit dem Mischbereich in Fluidverbindung steht.
In einer bevorzugten Ausführungsform steht die erste Zuleitung an ihrem ersten Eingang stromabwärts des Schaufelrades mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung.
In einer anderen Ausführungsform steht die erste Zuleitung an ihrem ersten Eingang mit einem Strömungskanal einer weiteren Turbomaschine in Fluidverbindung. Die Druckquelle kann aber auch eine externe Druckquelle sein.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung umfasst der Mischbereich eine Mischkammer, welche zumindest teilweise innerhalb des Strömungskanals liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Mischkammer eine Kammerwand, welche die Mischkammer von dem Strömungskanal trennt.
Der Mischbereich kann auch eine Mischkammer aufweisen, welche zumindest teilweise in dem Verdichtergehäuse und außerhalb des Strömungskanals liegt.
In einer Weiterbildung kann die Mischkammer einen Kammerauslass aufweisen, welcher vorzugsweise innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist.
Der Mischbereich kann eine Mischleitung umfassen, welche einen dritten Eingang aufweist und einen dritten Ausgang aufweist, wobei der dritte Eingang dem ersten Ausgang zugewandt ist und der dritte Ausgang mit dem Strömungskanal in Fluidverbindung steht, insbesondere in dem Strömungskanal liegt und in Richtung auf das Schaufelrad ausgerichtet ist.
In einer Weiterbildung kann der dritte Eingang einen Durchmesser D aufweisen, und ein Abstand a zwischen dem ersten Ausgang und dem dritten Eingang kann mindestens -3 D betragen, vorzugsweise mindestens 0 betragen und besonders vorzugsweise mindestens 2 D betragen, wobei ein negativer Abstand anzeigt, dass der dritte Eingang stromaufwärts des ersten Ausgangs liegt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist a nicht größer als 5 D, vorzugsweise nicht größer als 4 D.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der dritte Ausgang im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaufelachse einer Schaufel des Schaufelrades und/oder unter einem Winkel zu einer Ebene des Schaufelrades ausgerichtet.
Der Winkel liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 160°, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140°. Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Winkel in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades zu variieren, vorzugsweise in einem Bereich von 20 Grad bis 160 Grad, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90 Grad bis 140 Grad zu variieren.
Die Mischkammer kann eine Kammereinlassfläche Aein, gebildet durch eine Querschnittsfläche des zweiten Ausgangs, sowie eine Kammerauslassfläche Aaus, gebildet durch einen Kammerauslass, welcher vorzugsweise innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist, aufweisen, wobei Aein/ Aaus > 1, vorzugsweise Aein/Aaus > 3 und besonders vorzugsweise Aein/Aaus > 10.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verdichtersystem ein Axialverdichter.
Der Verdichter kann insbesondere in einem Triebwerk zum Einsatz kommen, vorzugsweise in einem Flugzeugtriebwerk.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele
Die Merkmale und zahlreichen Vorteile der Erfindung lassen sich am besten anhand einer detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen verstehen, in denen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die rotierende Strömungsablösung in einem Verdichtergitter illustriert;
Fig. 2 schematisch das Prinzip der Ejektoreinblasung zur Stabilisierung eines Verdichterstroms gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3 ein Verdichtersystem mit einem Einblasesystem zum Zuführen eines stabilisierenden Fluidstroms entlang des Randbereiches des Strömungskanals gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 4 anhand einer schematischen Schnittzeichnung die Winkelbeziehung zwischen den Schaufelblättern des Schaufelrades und dem auftreffenden resultierenden Fluid- Strom veranschaulicht;
Fig. 5 eine schematische Schnittzeichnung des Einblasesystems der Ausführungsform nach Fig. 3 und Fig. 4 zeigt; und Fig. 6 eine schematische Schnittzeichnung eines alternativen Einblasesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen eines resultierenden Fluid-Stroms an ein Verdichtersystem am Beispiel eines Verdichtersystems für ein Flugzeugtriebwerk beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die erfindungsgemäße Nutzung des Ejektoreffekts ermöglicht eine Stabilisierung des Verdichterstroms bzw. eine Reduzierung von Strömungsinstabilitäten, wie sie beispielsweise die rotierende Strömungsablösung darstellt, in allen konventionellen Gasverdichtersystemen. Dazu zählen insbesondere Verdichtersysteme, wie sie in großer Anzahl in prozesstechnischen Anlagen genutzt werden, insbesondere stationäre Gasturbinen für die Stromerzeugung.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik zur Stabilisierung der Verdichterströmung durch Einblasen von Luft im Schaufelspitzenbereich, wie er beispielsweise in S. Bindl et al, a.a.O., beschrieben ist, liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Einblase- massenstrom unter Ausnutzung des Ejektoreffekts bei vorzugsweise konstantem Rezirkulati- onsstrom um ein Vielfaches steigern lässt. Dadurch lässt sich schon mit vergleichsweise kleinen Rezirkulationsströmen und damit geringen Einbußen beim Wirkungsgrad eine verbesserte Stabilisierung des Verdichterstromes erreichen.
Der Ejektoreffekt beruht darauf, dass ein schneller Primärmassenstrom das umliegende Fluid durch einen Impulsübertrag beschleunigt und fordert. Charakterisiert wird der Ejektoreffekt über das sogenannte Zumischverhältnis μ, den Quotienten des Sekundärmassenstromes (sek) und des Primärmassenstromes (prim), m sek
m pnm
Das Zumischverhältnis μ beschreibt die Effizienz des Ejektors.
Der Ejektoreffekt wird in unterschiedlichen industriellen Anwendungen nutzbar gemacht. Detaillierte numerische Simulationen und experimentelle Studien zur grundlegenden Wirkung von Ejektoren haben die Erfinder in den Artikeln B. Muth et al,„Basic Study of the Ejector Effect, Part 1 : CFD", 47th AIAA/ASMI/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 31.07.-03.08.2011, San Diego, sowie M. Stößel et al. :„Basic Study of the Ejector Effect, Part 2: Experimental Approach", ebenda, beschrieben, jedoch nicht in Verbindung mit der Stabilisierung eines Verdichterstroms. Der Erfindung liegt die neue und überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich ein Ejektoreffekt vorteilhafterweise auch zur Stabilisierung des Verdichterstromes nutzbar machen lässt.
Das Prinzip der Nutzung des Ejektoreffekts zur Erhöhung des Einblasestroms an einem Verdichtersystem ist in Fig. 2 dargestellt. Das Einblasesystem 10 ist stromaufwärts eines Schaufelrads 12 einer Verdichterstufe angeordnet, von dem der Übersichtlichkeit halber nur die Schaufeln 14 gezeigt sind. Das Schaufelrad 12 ist drehbar um eine Drehachse A gelagert, welche mit der Symmetrieachse des Verdichtersystems zusammenfällt. Die Ebene der Schaufelblätter 14 (in Fig. 2 im Schnitt dargestellt) ist gegenüber der Richtung A jeweils geneigt.
Das Einblasesystem 10 leitet einen primären Fluid-Strom 16 durch eine Düse 18 in Richtung auf die Schaufeln 14 des Schaufelrads 12. Der primäre Fluid-Strom 16 wird dem Verdichtersystem stromabwärts des Schaufelrades 12 entnommen (in Fig. 2 nicht gezeigt). Das Einblasesystem 10 umfasst ferner eine Zuleitung aus dem Außenbereich des Verdichters, von der in Fig. 2 nur die Ausgangsöffnungen 20 gezeigt sind. Durch die Zuleitung und deren Ausgangsöffnungen saugt der primäre Fluid-Strom 16 beim Ausströmen aus der Düse 18 einen sekundären Fluid-Strom 22 an. Der sekundäre Fluid-Strom 22 tritt in einem Mischrohr 24, welches zwischen dem Auslass der Düse 18 und den Schaufeln 14 des Schaufelrades 12 angeordnet ist, mit dem primären Fluid-Strom 16 in Kontakt und wird durch den primären Fluid-Strom 16 beschleunigt. Das Mischrohr 24 kann dabei zusätzlich als Diffusor wirken. Der primäre Fluid-Strom 16 und der sekundäre Fluid-Strom 22 durchmischen sich in dem Mischrohr 24 zu einem resultierenden Fluid-Strom, welcher die Schaufeln 14 des Schaufelrades 12 anströmt.
Der Ejektoreffekt, bei welchem der primäre Fluid-Strom 16 einen sekundären Fluid-Strom 22 aus dem Außenbereich des Verdichtersystems fördert, führt zu einer signifikanten Erhöhung des Gesamtmassenstroms der Einblasung und damit zu einer Effizienzsteigerung des Triebwerksprozesses.
Fig. 3 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines Verdichtersystems eines Flugzeugtriebwerks mit einem erfindungsgemäßen Einblasesystem. Ein Verdichtersystem einer Turbomaschine umfasst im Allgemeinen mehrere Verdichterstufen mit einer Vielzahl von entlang des Strömungskanals bzw. der gemeinsamen Drehachse A angeordneten Schaufelrädern 12 und jeweils nachgeschalteten Statoren. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Verdichtersystems, wie es in der Einleitung mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben wurde, ist dem Fachmann bekannt und in Fig. 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in allen Einzelheiten gezeigt.
Das Verdichtersystem umfasst ein im Wesentlichen zylindrisches Verdichtergehäuse 26, welches in seinem Inneren einen Strömungskanal 28 definiert, der im Betrieb von dem Verdichterstrom 30 durchströmt wird. In dem Strömungskanal 28 ist das Schaufelrad 12 mit den Schaufeln 14 drehbar gelagert. Die Schaufelflächen sind gegenüber der Drehachse A des Schaufelrads 12 geneigt. Im Betrieb des Verdichtersystems wird das Schaufelrad 12 gedreht und fördert aufgrund der Profilierung der Schaufeln 14 die in den Strömungskanal 28 eintretende Luft in Richtung auf einen stromabwärts nachgeordneten Stator bzw. auf nachfolgende Verdichterstufen, so dass sich ein Verdichterstrom 30 durch den Strömungskanal 28 einstellt. Die Luft wird dabei verdichtet, so dass der Druck stromabwärts des Schaufelrads 12 den Druck stromaufwärts des Schaufelrads übersteigt.
Zur Nutzung des Ejektoreffekts wird der primäre Fluid-Strom 16 stromabwärts des Schaufelrads 12 aus dem Verdichterstrom 30 abgezweigt und über erste Zuleitungen 32, welche teilweise im Verdichtergehäuse 26 angeordnet sind, in einen Mischbereich stromaufwärts des Schaufelrads 12 zurückgeführt. Der Mischbereich umfasst eine Mehrzahl von Mischkammern 34, welche in äquidistanten Abständen entlang eines Umfangs der inneren Wand des Verdichtergehäuses 26 angeordnet sind. Jede der Mischkammem 34 umfasst Einlassöffnungen 20 für einen sekundären Fluidstrom 22, welchen der primäre Fluid-Strom 16 aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses 26 ansaugt.
Der Aufbau und die Konfiguration der Mischkammern ist in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung der Fig. 3 in weiteren Einzelheiten zu erkennen. Die Mischkammern 34 umfassen eine Mischkammerwand 36, welche einen Kammerinnenraum gegenüber dem Strömungskanal 28 abschließt. Der Ausgang der ersten Zuleitung 32 mündet in das Kammerinnere, in welchem sich der primäre Fluid-Strom 16 mit dem sekundären Fluid-Strom 22 mischt. Der resultierende Fluid-Strom wird über Kammerauslassöffnungen 38 in einem vorbestimmten Winkel in Richtung auf das Schaufelrad 12 geleitet, so dass er die Schaufeln 14 anströmt. Die Kam- merauslassöffnungen 38 können insbesondere auch verstellbar ausgebildet sein, so dass sich die Schaufeln 14 des Schaufelrades 12 unter unterschiedlichen Winkeln anströmen lassen.
Fig. 4 verdeutlicht die Winkelbeziehung beim Anströmen der Schaufeln 14 anhand einer Schnittzeichnung entlang der Linie B-B der Fig. 3. Das Schaufelrad 12 dreht sich entlang einer Umlaufrichtung U in einer Umlaufebene 40, welche senkrecht zur Wellenachse A bzw. zur Verdichterströmung 30 liegt. Die Schaufeln 14 sind gegenüber der Umlaufebene 40 um einen Winkel ß geneigt, welcher von der Konfiguration des Verdichtersystems und der Verdichterstufe abhängen kann. Der aus den Mischkammern 34 über die Kammerauslassöffnun- gen 38 bereitgestellte resultierende Fluid-Strom strömt die Schaufeln 14 des Schaufelrades 12 im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaufelachse 42 und unter einem Winkel γ zu der Umlaufebene 40 des Schaufelrades 12 an. Die verstellbaren Kammerauslassöffnungen 38 ermöglichen es, den Einströmwinkel γ in Abhängigkeit von der Umlaufgeschwindigkeit der Schaufeln 14 und/oder dem Betriebszustand des Verdichtersystems zu wählen bzw. zu variieren, um auf diese Weise eine dynamische Stabilisierung der Verdichterströmung 30 zu ermöglichen. Der resultierende Fluid-Strom kann dabei mit einer Komponente in Laufrichtung oder auch mit einer Komponente entgegen der Laufrichtung auf die Schaufeln 14 gerichtet werden. Ein Winkel γ = 0 bedeutet dabei, dass der resultierende Fluid-Strom in Umlaufrichtung U auf die Schaufel 14 einfällt. Ein Winkel γ = 180° zeigt an, dass der resultierende Fluid-Strom entgegen der Laufrichtung U der Schaufel 14 gerichtet ist. Vorzugsweise kann der Einströmwinkel γ in einem Bereich von 20° bis 160°, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 160° und insbesondere in einem Bereich von 90° bis 140° variiert werden.
In einer beispielhaften Konfiguration sind die Kammerauslassöffnungen 38 derart angeordnet, dass die Schaufelblätter 14 in Axialrichtung angeströmt werden.
Die Kammerauslassöffnungen 38 können in einer Ausgestaltung der Erfindung auch derart ausgerichtet sein, dass die Schaufelblätter 14 unter einem Winkel δ (nicht gezeigt), gemessen in Radialrichtung zu der Schaufelachse 42, angeströmt werden. Vorzugsweise liegt der Winkel δ im Bereich zwischen 45° und 135°.
Die Mehrzahl von entlang des Umfangsbereichs des Strömungskanals 28 angeordneten Mischkammern 34 ermöglicht es, den stabilisierenden Ejektorstrom nahezu gleichmäßig über den gesamten Umfangsbereich des Schaufelrades 12 einzuspeisen und damit in dem Blattspit- zenbereich der Schaufeln 14, welcher aufgrund der Gehäusenähe und der hohen Umlaufgeschwindigkeit aerodynamisch besonders stark belastet ist, stabilisierend in die Strömungsverhältnisse einzugreifen und eine Strömungsablösung zu vermeiden.
Fig. 5 zeigt die vorangehend mit Bezug auf Fig. 3 und Fig. 4 beschriebene Einblasevorrichtung in einer schematischen Querschnittszeichnung. Der von einer Gehäusewand des Verdichtergehäuses 26 begrenzte Strömungskanal 28 wird in der Darstellung der Fig. 5 im Betrieb des Verdichtersystems von links nach rechts von dem Verdichterstrom 30 durchströmt. In dem Strömungskanal 28 sind mehrere Schaufelräder 12, 12', 12", welche in ihrem Aufbau und ihrer Funktion dem mit Bezug auf die Fig. 3 beschriebenen Schaufelrad 12 entsprechen, in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet. Sie bilden zusammen ein Verdichtersystem. Die Statoren, welche den Schaufelrädern 12, 12', 12" jeweils stromabwärts nachgeordnet sein können, sind in Fig. 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Fig. 5 zeigt weiter die erste Zuleitung 32 für den primären Fluid-Strom 16 mit einem ersten Eingang 44 zum Ableiten des primären Fluid-Stroms 16 aus dem Strömungskanal 28 stromabwärts der Schaufelräder 12, 12', 12". Die erste Zuleitung 32 führt den am Eingang 44 eintretenden primären Fluid-Strom 16 außerhalb der Wand des Strömungskanals 28 an den Schaufelrädern 12, 12', 12" vorbei und dann durch die Wand des Strömungskanals 28 hindurch über einen Umlenkabschnitt 46 und einen Ausgang 48, welcher als Düse ausgebildet sein kann, in die Mischkammer 34, welche stromaufwärts des Schaufelrads 12 an der Innenseite der Wand des Verdichtergehäuses 26 ausgebildet ist und durch die Mischkammerwand 36 gegen den Strömungskanal 28 abgetrennt ist.
Nach dem Umlenken im Umlenkabschnitt 46 tritt der primäre Fluid-Strom 16 in Richtung auf den Blattspitzenbereich des Schaufelrads 12 aus der Austrittsöffnung 48 aus. Die Auslassöffnung 38 der Mischkammer 34 bildet ein Mischrohr 24, dessen Eingangsöffnung 50 der Aus- trittsöffnung 48 vorzugsweise konzentrisch gegenüberliegt und dessen Ausgangsöffnung 52 in Richtung auf die Schaufelspitzen des Schaufelrades 12 gerichtet ist.
Die Mischkammer 34 steht über eine zweite Zuleitung 54 mit einem Außenbereich des Verdichtergehäuses in Fluidverbindung. Der mit hoher Geschwindigkeit aus der Düse 48 austretende primäre Fluid-Strom 16 saugt über die zweite Zuleitung 54 Luft aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses 26 als sekundären Fluid-Strom 22 in die Mischkammer 34. In dem Mischrohr 24 tritt der sekundäre Fluid-Strom 22 mit dem primären Fluid-Strom 16 in Kontakt, wird durch den primären Fluid-Strom 16 beschleunigt und vermischt sich mit ihm zu einem resultierenden Fluid-Strom 56, welcher das Mischrohr 24 durch die Ausgangsöffnung 52 in Richtung des Schaufelrads 12 verlässt.
Das Mischrohr 24 kann als Diffusor wirken und weist eine Querschnittsfläche auf, welche die Querschnittsfläche des Ausgangs 48 der ersten Zuleitung 32 um das 2-fache, vorzugsweise um das mehr als 2-fache oder mehr übersteigt. Der Abstand zwischen dem Ausgang 48 der ersten Zuleitung 32 und der Eingangsöffnung 50 des Mischrohrs 24 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2 D und 4 D, wobei D einen Durchmesser des Mischrohrs 24 bezeichnet. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann der Abstand a jedoch auch kleiner gewählt werden. Insbesondere kann der Ausgang 48 der ersten Zuleitung 32 auch in das Mischrohr 24 hineinragen, so dass der Abstand negativ wird. Die Kompaktheit eines Flugtriebwerks kann das Verhältnis stark limitieren.
Mit der beschriebenen Konfiguration lässt sich ein Zumischverhältnis μ = 2 oder darüber erreichen, d.h., der primäre Fluid-Strom 16 wird durch den sekundären Fluid-Strom 22 aus dem Außenbereich des Verdichtergehäuses 26 um mehr als das 2-fache erhöht. Das Mischrohr 24 kann an seiner Ausgangsöffnung 52 bewegliche Teile (nicht gezeigt) umfassen, um den resultierenden Fluid-Strom 56 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verdichtersystems unter einem vorbestimmten Winkel γ auf die Schaufeln 14 des Schaufelrads 12 zu lenken, wie vorangehend unter Bezug auf die Figuren 3 und 4 beschrieben wurde.
Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdichtersystems, welche der vorangehend mit Bezug auf Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen gleicht und sich nur in der Ausbildung des Mischbereichs unterscheidet.
Im Gegensatz zur Ausführungsform der Fig. 5, bei welcher die Mischkammer 34 in dem Strömungskanal 28 ausgebildet ist, liegt der Mischbereich in der Ausführungsform der Fig. 6 zumindest teilweise außerhalb des Strömungskanals 28 und innerhalb des Verdichtergehäuses 26. Die erste Zuleitung 32 mündet in dieser Konfiguration innerhalb des Verdichtergehäuses 26 in die Mischkammer 34. Beim Austritt aus der Düsenöffnung 48 der ersten Zuleitung 32 saugt der primäre Fluid-Strom 16 einen sekundären Fluid-Strom 22 über eine zweite Zuleitung (nicht gezeigt) in die Mischkammer 34. Die Mischkammer 34 umfasst wiederum ein Mischrohr 24', in welchem sich der sekundäre Fluid-Strom 22 mit dem primären Fluid-Strom 16 zu dem resultierenden Fluid-Strom 56 vermischt. Im Gegensatz zur Ausfuhrungsform der Fig. 5 durchsetzt das Mischrohr 24' die Wand des Verdichtergehäuses 26 und leitet den resultierenden Fluid-Strom 56 in Richtung auf das Schaufelrad 12 um. In seinen Abmessungen, seiner Anordnung relativ zum Ausgang 48 der ersten Zuleitung 32 und in seiner Wirkungsweise unterscheidet sich das Mischrohr 24' der Ausführungsform der Fig. 6 ansonsten jedoch nicht von dem Mischrohr 24, wie es vorangehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben wurde.
Ein Vorteil der Konfiguration der Fig. 6, bei welcher die Mischkammer zumindest teilweise außerhalb des Verdichtergehäuses 26 angeordnet ist, liegt darin, dass das Einblasesystem keine oder nur minimale Eingriffe in den Strömungskanal 28 erfordert.
In einer Weiterbildung der Ausführungsform der Fig. 6 können die Kammerauslassöffnungen 38 lediglich aus Schlitzen in der Wand des Strömungskanals 28 bestehen, welche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie den resultierenden Fluid-Strom 56 in Richtung auf das Schaufelrad 12 leiten. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass der Strömungskanal 28 vollständig frei bleibt.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen und die Zeichnungen dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und der damit erzielten Vorteile, sollen die Erfindung aber nicht beschränken. Der Umfang der Erfindung ergibt sich allein aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Bereitstellen eines Fluid-Stroms (56) an ein Verdichtersystem einer ersten Turbomaschine, wobei das Verdichtersystem wenigstens ein Verdichtergehäuse (26) umfasst, in welchem wenigstens ein Schaufelrad (12,12', 12") angeordnet ist und welches von einem Verdichterstrom (30) durchströmt wird, mit den Verfahrensschritten:
Zuführen eines primären Fluid-Stroms (16) in einen Mischbereich (34) des Verdichtersystems ;
Zuführen eines sekundären Fluid-Stroms (22) aus einem Außenbereich des Verdichtergehäuses (26) in den Mischbereich (34), so dass sich der sekundäre Fluid- Strom (22) zumindest teilweise mit dem primären Fluid-Strom (16) zu einem resultierenden Fluid-Strom (56) mischt, so dass zwischen dem primären Fluid-Strom (16) und dem sekundären Fluid-Strom (22) ein Impulsaustausch stattfindet und so dass der sekundäre Fluid-Strom (22) durch den primären Fluid-Strom (16) gefördert wird; und
Zuführen des resultierenden Fluid-Stroms (56) in den Verdichterstrom (30) stromaufwärts des Schaufelrads (12,12', 12") in Richtung auf das Schaufelrad (12,12', 12").
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der primäre Fluid-Strom (16) aus einem Verdichterstrom einer zweiten Turbomaschine, vorzugsweise aus dem Verdichterstrom (30) der ersten Turbomaschine stromabwärts des Schaufelrads (12,12', 12"), abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Schaufelrad (12,12', 12") mehrere Schaufeln (14) umfasst und der resultierende Fluid-Strom (56) dem Verdichterstrom (30) derart zugeführt wird, dass der resultierende Fluid-Strom (56) im Bereich der Schaufelspitzen der Schaufeln (14) auf das Schaufelrad (12,12', 12") auftrifft.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der resultierende Fluid-Strom (56) dem Verdichterstrom (30) entlang eines Randbereiches des Verdichterstroms (30) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Verdichtergehäuse (26) einen Strömungskanal (28) definiert und der Mischbereich (34) zumindest teilweise außerhalb des Strömungskanals (28) liegt, vorzugsweise vollständig außerhalb des Strömungskanals (28) liegt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Verdichtergehäuse (26) einen Strömungskanal (28) definiert und der Mischbereich (34) zumindest teilweise in dem Strömungskanal (28) liegt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Verdichtergehäuse (26) einen Strömungskanal (28) definiert und der Mischbereich (34) zumindest teilweise gegenüber dem Strömungskanal (28) abgeschlossen ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit dem Ausrichten des resultierenden Fluid-Stroms (56) derart, dass der resultierende Fluid-Strom (56) im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaufelachse (42) einer Schaufel (14) des Schaufelrades (12, 12', 12") und/ oder unter einem Winkel (γ) zu einer Ebene (40) des Schaufelrades (12,12', 12") auf die Schaufel (14) auftrifft.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Winkel (γ) in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades (12, 12', 12") variiert wird, vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 160°, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140° variiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein Zumischverhältnis aus einem Quotienten eines Massenstroms des sekundären Fluid- Stroms (22) und eines Massenstroms des primären Fluid-Stroms (16) wenigstens 1 beträgt, vorzugsweise wenigstens 3 beträgt und besonders vorzugsweise wenigstens 10 beträgt.
11. Vorrichtung zum Bereitstellen eines Fluid-Stroms (56) an ein Verdichtersystem einer ersten Turbomaschine mit:
einem Verdichtergehäuse (26), welches einen Strömungskanal (28) definiert, in welchem wenigstens ein Schaufelrad (12,12', 12") angeordnet ist;
einer ersten Zuleitung (32) für einen primären Fluid-Strom (16), wobei die erste Zuleitung (32) einen ersten Eingang (44) für den primären Fluid-Strom (16) und einen ersten Ausgang (18, 48) aufweist, wobei der erste Ausgang (18, 48) stromaufwärts des Schaufelrads (12,12', 12") mit dem Strömungskanal (28) in Fluidverbindung steht; und
einer zweiten Zuleitung (54) für einen sekundären Fluid-Strom (22), wobei die zweite Zuleitung (54) einen zweiten Eingang aufweist, welcher mit einem Außenbereich des Verdichtergehäuses (26) in Fluidverbindung steht, und einen zweiten Ausgang (20) aufweist, welcher stromaufwärts des Schaufelrads (12, 12', 12") mit dem Strömungskanal (28) in Fluidverbindung steht;
wobei der erste Ausgang (18, 48) und der zweite Ausgang (20) derart zueinander angeordnet sind, dass sich der sekundäre Fluid-Strom (22) zumindest teilweise mit dem primären Fluid-Strom (16) zu einem auf das Schaufelrad (12,12', 12") gerichteten resultierenden Fluid-Strom (56) mischt, dass zwischen dem primären Fluid-Strom (16) und dem sekundären Fluid-Strom (22) ein Impulsaustausch stattfindet und dass der sekundäre Fluid-Strom (22) durch den primären Fluid-Strom (16) gefördert wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welchem der erste Eingang (44) mit einer Verdichterstufe einer zweiten Turbomaschine in Fluidverbindung steht, vorzugsweise stromabwärts des Schaufelrades (12,12', 12") mit dem Strömungskanal (28) der ersten Turbomaschine in Fluidverbindung steht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei welcher der erste Ausgang (18, 48) und/oder der zweite Ausgang (20) in einem Randbereich des Strömungskanals (28) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welcher der erste Ausgang (18, 48) innerhalb des Strömungskanals (28) angeordnet ist und vorzugsweise in Richtung auf das Schaufelrad (12, 12', 12") ausgerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 mit einer Mischleitung (24, 24'), welche einen dritten Eingang (50) aufweist und einen dritten Ausgang (52) aufweist, wobei der dritte Eingang (50) dem ersten Ausgang (18, 48) zugewandt ist und der dritte Ausgang (52) mit dem Strömungskanal (28) in Fluidverbindung steht, vorzugsweise in dem Strömungskanal (28) liegt und in Richtung auf das Schaufelrad (12, 12', 12") ausgerichtet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher der dritte Eingang (50) einen Durchmesser D aufweist und ein Abstand a zwischen dem ersten Ausgang (18, 48) und dem dritten Eingang (50) in einem Bereich -3D < a < 5D, vorzugsweise 0 < a < 4D, besonders vorzugsweise 2D < a < 4D, liegt, wobei ein negativer Abstand anzeigt, dass der dritte Eingang (50) stromaufwärts des ersten Ausgangs (18, 48) liegt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei welcher ein Verhältnis zwischen einer Querschnittsfläche des dritten Eingangs (50) und einer Querschnittsfläche des ersten Ausgangs (18, 48) zwischen 1 : 1 und 100: 1 liegt, vorzugsweise zwischen 5:1 und 50: 1 liegt und besonders vorzugsweise zwischen 10:1 und 40: 1 liegt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei welcher der erste Ausgang (18, 48) und/oder der dritte Ausgang (52) im Wesentlichen senkrecht zu einer Schaufelachse (42) einer Schaufel (14) des Schaufelrades (12,12', 12") und/oder unter einem Winkel (γ) zu einer Ebene (40) des Schaufelrades (12, 12', 12") ausgerichtet sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, welche dazu eingerichtet ist, den Winkel (γ) in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit des Schaufelrades (12, 12', 12") zu variieren, vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 160°, besonders vorzugsweise in einem Bereich von 90° bis 140° zu variieren.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19 mit einer Mehrzahl von ersten Ausgängen (18, 48) und/oder einer Mehrzahl von zweiten Ausgängen (20), welche entlang eines Umfangsbereichs des Strömungskanals (28), vorzugsweise an einer Innenseite des Verdichtergehäuses (26), angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20 mit einem Mischbereich (34), welcher stromaufwärts des Schaufelrads (12,12', 12") mit dem Strömungskanal (28) in Fluidverbindung steht und in welchen der erste Ausgang (18, 48) und der zweite Ausgang (20) münden.
Vorrichtung nach Anspruch 21 , bei welcher der Mischbereich eine Mischkammer (34) umfasst, welche zumindest teilweise innerhalb des Strömungskanals (28) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, bei welcher der Mischbereich eine Mischkammer (34) umfasst, welche zumindest teilweise außerhalb des Strömungskanals (28) liegt, vorzugsweise vollständig außerhalb des Strömungskanals (28) liegt.
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