DE3112008C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialverdichterstufe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

In der Axialverdichterstufe eines Gasturbinentriebwerks erstrecken sich in einem ringförmigen Strömungsweg Kränze von Leitschaufeln von der Außenwand radial nach innen und Kränze von Laufschaufeln von der Innenwand radial nach außen. Üblicherweise laufen in der Verdichterstufe die Wände des Strömungsweges allmählich aufeinander zu. Eine solche Konstruktion, die einen Strömungsweg hat, der sowohl an der Außenwand als auch an der Innenwand konvergiert, ist in der US-PS 28 69 820 beschrieben. Eine weitere Konstruktion, die eine konvergierende Außenwand mit konischer Form und eine zylindrische Innenwand hat, ist in der US-PS 26 72 279 beschrieben. Die US-PS 28 01 071 beschreibt eine Konstruktion, die eine konische Innenwand und eine zylindrische Außenwand hat.

Wenn die Arbeitsmediumgase verdichtet werden, steigen die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase an. An jedem Laufschaufelkranz ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des Ruhe- oder statischen Druckes begleitet.

Die aerodynamische Belastung über einem Flügelprofilabschnitt ist definiert als der Ruhedruckanstieg über dem gesamten Flügelprofilabschnitt dividiert durch den Einlaßstaudruck oder dynamischen Einlaßdruck. Im Betrieb sind hohe aerodynamische Belastungen an Flügelprofilabschnitten häufig von einer Strömungsablösung begleitet. Da der Flügelprofilabschnitt sich in der Richtung zunehmenden Ruhedruckes in einem Verdichter befindet, besteht die Tendenz, daß sich die Strömung von den Schaufel- und Wandoberflächen "ablöst". Die Ablösung verringert den Wirkungsgrad des Laufschaufelkranzes und kann in extremen Fällen zu einer Erscheinung führen, die als Pumpen bezeichnet wird.

Die DE-PS 8 09 842 beschreibt eine Axialverdichterstufe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Zur Vereinfachung der Herstellung dieser bekannten Axialverdichterstufe erfolgen die Kontraktionen des Strömungsweges stufenförmig zwischen den Leit- und Laufschaufelkränzen, was die Möglichkeit bietet, die Laufschaufeln an Zylinderflächen zwischen den Kontraktionen des Strömungsweges anzuordnen. Dadurch wird nicht nur die Herstellung der Verdichterstufe vereinfacht, sondern es können auch die Strömungsverhältnisse verbessert werden, wenn eine Verschiebung der Axialgeschwindigkeit der Strömung erforderlich ist, um bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten Schwierigkeiten hinsichtlich der Machzahl zu vermeiden. Bei der bekannten Axialverdichterstufe sind in dem vorderen Schaufelkantenbereich der Laufschaufeln die Stromlinien zur Mittellinie des Verdichters hin, d. h. negativ gekrümmt, dagegen an der Außenwand gerade, d. h. überhaupt nicht gekrümmt, wogegen in dem hinteren Schaufelkantenbereich nahe der Innenwand die Stromlinien von der Mittellinie des Verdichters weg gerichtet sind, also eine positive Krümmung aufweisen, und nahe der Außenwand zur Mittellinie des Verdichters hin gekrümmt sind, d. h. eine negative Krümmung aufweisen. Die oben erwähnte Strömungsablösung läßt sich auf diese Weise nicht verhindern, so daß sich auch der Pumpspielraum, d. h. der Sicherheitsspielraum, bevor es zu einem Pumpen kommt, sowie der Wirkungsgrad nicht verbessern lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Axialverdichterstufe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß die durch die aerodynamische Belastung bedingte Strömungsablösung längs des Flügelprofilabschnitts der Laufschaufeln verzögert und damit der Pumpspielraum und folglich der Wirkungsgrad verbessert wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

In der Axialverdichterstufe nach der Erfindung wird durch die besondere Form der Innenwand und der Außenwand des ringförmigen Strömungsweges die aerodynamische Belastung des Flügelprofils in Spannweitenrichtung von hochbelasteten Stellen zu weniger belasteten Stellen verschoben, wodurch die durch die aerodynamische Belastung bedingte Strömungsablösung längs des Flügelprofilabschnitts der Laufschaufeln verzögert und damit der Pumpspielraum und folglich der Wirkungsgrad verbessert wird. Aufgrund der Form von Innen- und Außenwand sind in dem ersten Schaufelkantenbereich die Stromlinien an der Außenwand und an der Innenwand so gekrümmt, daß sie von der Achse des Triebwerks weg gerichtet sind (positive Krümmung), wogegen sie in dem zweiten Schaufelkantenbereich an der Außenwand und an der Innenwand so gekrümmt sind, daß sie zur Achse des Triebwerks hin gerichtet sind (negative Krümmung). Gemäß der Erfindung wird also die Verteilung der aerodynamischen Belastung an einem Laufschaufel-Flügelprofilabschnitt in Richtung der Schaufelhöhe verschoben, indem die Stromlinien in dem ringförmigen Strömungsweg in den Schaufelkantenbereichen an der Innen- und an der Außenwand veranlaßt werden, bezüglich der Triebwerksachse einer Krümmung in derselben radialen Richtung zu folgen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche. In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 3 sind die kegelstumpfförmigen Wandflächen an die Schaufelfüße der Flügelprofilabschnitte angeschlossen, wogegen die zylindrischen Wandflächen einen radialen Abstand von den Spitzen der Flügelprofilabschnitte aufweisen. Ein weiterer Anstieg des Wirkungsgrades der Axialverdichterstufe resultiert aus dem engeren Spalt zwischen rotierenden und nichtrotierenden Teilen, der durch die zylindrischen Oberflächen ermöglicht wird, welche den Spitzen von rotierenden und nichtrotierenden Flügelprofilteilen zugewandt sind, im Vergleich zu Flügelprofilabschnitten, die Spitzen haben, welche durch einen Spalt radial von einer kegelstumpfförmigen Oberfläche getrennt sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht eines Turbofan- Triebwerks, bei welchem das äußere Gehäuse weggebrochen ist, um einen Teil der Läufer- und Leitradbaugruppen in dem Verdichterabschnitt sichtbar zu machen,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Läufer- und Leitradbaugruppen von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansich, die einem Teil von Fig. 2 entspricht und eine weitere Ausführungsform zeigt, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Läufer- und Leitradbaugruppen.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk. Die Hauptabschnitte des Triebwerks sind ein Fan-Verdichtungsabschnitt 10, ein Kernverdichterabschnitt 12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16. Das Triebwerk hat eine Achse A. Eine Läuferbaugruppe 18 erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt 12 und den Turbinenabschnitt 16. Eine Leitradbaugruppe 20 umschließt die Laufradbaugruppe 18. Ein im Querschnitt ringförmiger Strömungsweg 22 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich durch den Verdichterabschnitt 12 und wird durch Teile der Leitradbaugruppe 20 und der Läuferbaugruppe 18 begrenzt.

Gemäß Fig. 2 hat die Leitradbaugruppe 20 ein äußeres Gehäuse 24. Das äußere Gehäuse 24 hat eine Außenwand 26, die den ringförmigen Strömungsweg 22 umschließt. Die Läuferbaugruppe 18 hat eine Innenwand 28, die einwärts mit Abstand von der Außenwand 26 angeordnet ist. Die Innenwand 28 begrenzt den Strömungsweg 22. Wände mit konstanter Steigung, die den Strömungsweg 22 begrenzen, sind durch gestrichelte Linien F dargestellt. Kränze von Leitschaufeln 30 und 32 sind an der Außenwand 26 befestigt. Die Leitschaufeln 30, 32 erstrecken sich einwärts bis in die Nähe der Innenwand 28. Die Leitschaufelkränze und Kränze von Laufschaufeln 34 und 36 sind in der dargestellten Weise ineinander geschachtelt. Die Laufschaufelkränze erstrecken sich nach außen bis in die Nähe der Außenwand 26.

Jede Laufschaufel 36 hat einen Flügelprofilabschnitt 38. Der Flügelprofilabschnitt 38 hat einen Schaufelfuß 40, eine Vorderkante 42, eine Hinterkante 44, eine Spitze 46 und eine sich in der Schaufelhöhe oder -spannweite erstreckende radikal Achse B. Jede Leitschaufel 32 hat einen Schaufelfuß 48, eine Vorderkante 50, eine Hinterkante 52 und eine Spitze 54.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform als in Fig. 2, und zwar mit einer Innenwand 56, die durch Elemente der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe gebildet ist. Jede Leitschaufel 58 hat eine Ummantelung 60. Die Ummantelung 60 erstreckt sich axial in die Nähe der Läuferbaugruppe und hat eine nach außen weisende Fläche 62. Die Läuferbaugruppe hat eine nach außen weisende Fläche 64. Die nach außen weisenden Flächen 62, 64 bilden gemeinsam die Innenwand 56, wie durch die gestrichelte Linie G dargestellt. Die gestrichelten Linien F veranschaulichen Wände mit konstanter Steigung, die den ringförmigen Strömungsweg 22 begrenzen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des Verdichterabschnittes 12, die die Wege von Teilchen von Arbeitsmediumgasen zeigt, die nahe der Außenwand 26, der Innenwand 28 und der Mitte des Strömungsweges 22 durch den Verdichterabschnitt strömen. Diese Wege werden üblicherweise als Stromlinie bezeichnet. Die Stromlinien S_o befinden sich nahe der Außenwand 26, die Stromlinien S_m befinden sich ungefähr in der Mitte des Strömungsweges 22, und die Stromlinien S_i befinden sich nahe der Innenwand 28.

Der Vorderkante 42 jedes Profilabschnittes ist ein vorderer oder erster Schaufelkantenbereich 66 zugeordnet. Der Hinterkante 44 ist ein hinterer oder zweiter Schaufelkantenbereich 68 zugeordnet. In dem Schaufelkantenbereich an der Außenwand 26 hat jede Stromlinie S_o eine erste Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Vorderkante 42 und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante 44 und stromabwärts der Hinterkante bildet. In dem Schaufelkantenbereich an der Innenwand 28 hat jede Stromlinie S_i eine erste Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Vorderkante 42 und stromabwärts der Vorderkante bildet, und eine zweite Krümmung, die einen Übergang zwischen dem Weg der Teilchen stromaufwärts der Hinterkante 44 und stromabwärts der Hinterkante bildet. Die Wege S_i und S_o sind Funktionen von x, gemessen in einer Ebene, die die Achse A des Triebwerks (x-Achse) enthält und einen Punkt auf der Stromlinie schneidet. Eine solche Phase ist eine Radialebene. Die y-Achse, die zu der x-Achse rechtwinklig ist, erstreckt sich in Richtung der Schaufelhöhe oder -spannweite und liegt in der Radialebene. Jede Stromlinie wird durch eine Gleichung der Form y=f (x) beschrieben. Die Krümmung in dem Produkt auf der Stromlinie ist in rechtwinkligen Koordinaten durch folgende Formel gegeben:

wobei

die erste bzw. zweite Ableitung von y nach x sind.

In dem vorderen Schaufelkantenbereich 66 an der Außenwand 26 hat die Außenwand eine Oberfläche mit einem Innenwinkel d₁, der kleiner als 180° ist.

In dem vorderen Schaufelkantenbereich 66 an der Innenwand 28 hat die Innenwand eine Oberfläche mit einem Innenwinkel β₁, der größer als 180°C ist.

In dem hinteren Schaufelkantenbereich 68 an der Außenwand 26 hat die Außenwand eine Oberfläche mit einem Innenwinkel d₂, der größer als 180° ist.

In dem hinteren Schaufelkantenbereich 68 an der Innenwand 28 hat die Innenwand eine Oberfläche mit einem Innenwinkel β₂, der kleiner als 180° ist.

Stromabwärts der Laufschaufel 36 hat die Innenwand 28 an der Leitschaufel 32 eine zylindrische Fläche, die nach außen weist. Die Fläche erstreckt sich axial über die Vorderkante 50 und die Hinterkante 52 der Leitschaufel 32 hinaus. Die Innenwand 28 stromaufwärts der Leitschaufel 32 und in der Nähe der Laufschaufel 36 hat eine kegelstumpfförmige Fläche. Eine Strömungswegkontraktion tritt an der Innenwand 28 längs der Kegelstumpffläche an dem Schaufelfuß 40 der Laufschaufel 36. Die Außenwand 26 stromaufwärts der Leitschaufel 32 und in der Nähe der Laufschaufel 36 hat eine zylindrische Fläche, die den Spitzen des Laufschaufelkranzes zugeordnet ist und sich über die Vorderkante 42 und über die Hinterkante 44 hinaus erstreckt.

Im Betrieb eines Gasturbinentriebwerks strömen Arbeitsmediumgase durch das Triebwerk, die dem Strömungsweg 22 folgen und in dem Verdichterabschnitt 12 verdichtet werden, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Gesamtdruck der Gase ansteigen. An dem Kranz der Laufschaufeln 36 ist der Anstieg des Gesamtdruckes von einem Anstieg des statischen Druckes begleitet. Der Anstieg des statischen Druckes verursacht eine aerodynamische Belastung über jedem Flügelprofilabschnitt.

Die Kontur der Außenwand 26 und die Kontur der Innenwand 28 beeinflussen diese aerodynamische Belastung. Gemäß Fig. 4 folgen die Stromlinien S_i der Innenwand 28. Die Stromlinien S_o folgen der Außenwand 26. In dem vorderen Schaufelkantenbereich 66 ist die Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwannd 26 und nahe der Innenwand 28 positiv, d. h. von der Achse A des Triebwerks weggerichtet. Die Krümmung hat mit Bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konvexe Form. Ein Ruhedruckgradient in Richtung der Spannweite, d. h. in radialer Richtung muß vorhanden sein, um diese Krümmung der Stromlinien zu ermöglichen. Der örtliche Ruhedruck für die konvexen Stromlinien ist an der Innenwand 28 höher und an der Außenwand 26 niedriger, im Vergleich zu dem mittleren Ruhedruck in dem gesamten Kantenbereich. Darüber hinaus tritt derselbe örtliche Effekt auf, wenn der Druckgradient für den konturierten Strömungsweg 22 mit dem Druckgradienten an der Innenwand 28 und der Außenwand 26 eines Strömungsweges verglichen wird, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind. Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem Vorderkantenbereich durch ein Pluszeichen (+) an der Innenwand 28 und durch ein Minuszeichen (-) an der Außenwand 26 angegeben.

Die Belastung über dem Flügelprofilabschnitt

ist direkt proportional zum Ruhedruckanstieg über dem Flügelprofilabschnitt und am stärksten von diesem abhängig. Da der Ruhedruckanstieg die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem Punkt stromaufwärts der Vorderkante 42 und einem Punkt stromabwärts der Hinterkante 44 ist, wird die Belastung an der Wurzel des Flügelprofilabschnitts verrringert und an der Spitze des Flügelprofilabschnitts vergrößert. Die Belastung hat sich infolge der Konturen des Strömungsweges 22 in Richtung der Schaufelspannweite verschoben.

Die Verschiebung der Belastung in Richtung der Schaufelspannweite wird durch die Krümmung der Außenwand 26 und der Innenwand 28 in dem hinteren Schaufelkantenbereich 68 verstärkt. Die Stromlinien S_i folgen der Innenwand 28. Die Stromlinien S_o folgen der Außenwand 26. In dem Schaufelkantenbereich 68 ist die Krümmung der Stromlinien nahe der Außenwand 26 und der Innenwand 28 negativ, d. h. zur Achse A des Triebwerks gerichtet. Die Krümmung hat in bezug auf die Achse A des Triebwerks eine konkave Form. Diese Krümmung ermöglicht ein Ruhedruckgradient in Richtung der Spannweite oder in radialer Richtung. Der örtliche Ruhedruckgradient für die konkaven Stromlinien ist an der Innenwand 28 kleiner und an der Außenwand 26 größer, im Vergleich zu dem mittleren Ruhedruckgradienten in dem gesamten vorderen Schaufelkantenbereich 66 oder im Vergleich zu dem örtlichen Ruhedruckgradienten an der Innenwand 28 und an der Außenwand 26 eines Strömungsweges, dem Stromlinien längs Wänden folgen, die durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind. Diese Auswirkung auf den örtlichen Druck ist in dem hinteren Schaufelkantenbereich 68 durch Minuszeichen (-) an der Innenwand 28 und durch ein Pluszeichen (+) an der Außenwand 26 angegeben. Da der Ruhedruckanstieg die Differenz zwischen dem Ruhedruck an einem Punkt stromaufwärts der Vorderkante 42 und einem Punkt stromabwärts der Hinterkante 44 ist, wird die Belastung an dem Fuß 40 des Flügelprofilabschnittes weiter verringert und an der Spitze des Flügelprofilabschnittes weiter erhöht. Das hat die Verschiebung der Belastung in Richtung der Spannweite noch verstärkt.

Die Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Konturen bei Wänden eines Strömungsweges an einem Kranz von rotierenden Flügelprofilabschnitten ist hilfreich, beispielsweise wenn die strömenden Arbeitsmediumgase dazu neigen, sich zuerst an dem Schaufelfuß 40 des Flügelprofilabschnittes abzulösen. Ein solches Ablösen tritt häufig in den stromabwärtigen Stufen des Verdichters auf, weil die aerodynamische Belastung an dem Schaufelfuß jedes Flügelprofilabschnittes größer ist als die mittlere aerodynamische Belastung über dem Flügelprofilabschnitt oder die aerodynamische Belastung an der Spitze der Laufschaufel 36. Das Verringern der aerodynamischen Belastung an dem Schaufelfuß eines solchen Flügelprofilabschnittes führt dazu, daß die Ablösung längs des Flügelprofilabschnittes weiter stromabswärts auftritt, und, wenn die Ablösung auftritt, das Ausmaß der Ablösung an jedem Punkt längs des Flügelprofilabschnittes verringert. Das Verringern des Ausmaßes der Ablösung verringert die nachteilige Auswirkung, die die Strömungsablösung auf den Wirkungsgrad hat. Eine Steigerung des Wirkungsgrades ergibt sich für die Läuferstufe gegenüber denjenigen Konstruktionen, wo nicht auf die Ablösung eingewirkt wird. Darüber hinaus ermöglicht das Verringern der Belastung an einem solchen kritischen Ort für die Läuferstufe einen stärkeren Anstieg des Gegendruckes, bevor es an dem Flügelprofilabschnitt zu einem Strömungsabriß kommt. Es kommt zu einer Vergrößerung des Pumpspielraums des Verdichtungsabschnittes.

In der dargestellten besonderen Konfiguration ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil dadurch, das zylindrische Flächen den Spitzen des Flügelprofilabschnittes in einer Läufer/ Leitrad-Stufe zugewandt sind und daß Strömungswegkontraktionen an dem Schaufelfuß der Flügelprofilabschnitte verwendet werden. Dieser Aufbau ermöglicht einen engen Spalt sowohl zwischen den Spitzen der Läuferflügelprofilabschnitte und der diesen zugewandten zylindrischen Außenwand 26 als auch zwischen den Spitzen der Leitradflügelprofilabschnitte und der diesen zugewandten zylindrischen Innenwand 28.

In Fig. 4 ist Cr der radiale Spalt beim Zusammenbauen zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand und zwischen der Leitradspitze und der Läuferwand. Im Betrieb ermöglicht der radiale Spalt Cr der Läufer/Leitrad-Stufe, Differenz im radialen Wachstum zwischen der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe zu kompensieren. Da zylindrische Oberflächen den Flügelprofilabschnittspitzen zugewandt sind, beeinflussen die Differenzen im axialen thermischen Wachstum Ca zwischen der Läuferbaugruppe und der Leitradbaugruppe nicht nachteilig die Größe des radialen Spaltes Cr. Bei einem äquivalenten ringförmigen Strömungsweg, der konische Wände hat, wie sie durch die gestrichelten Linien F dargestellt sind, beeinflußt die Differenz im axialen thermischen Wachstum, Ca, nachteilig die Größe des radialen Spalts Cr. Der radiale Spalt Cr zwischen der Läuferspitze und der Leitradwand wird durch einen zusätzlichen radialen Spalt ΔCr vergrößert, um der Laufradspitze zu ermöglichen, radial von der Leitradwand wegzubleiben, wenn sich die Läuferspitze wegen Änderung im axialen Wachstum näher zu der Leitradwand bewegt. Demgemäß ist bei dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau der radiale Spalt zwischen der Läuferspitze und der ihr zugewandten Wand kleiner als bei einem konischen Strömungsweg, was sich durch eine Erhöhung des Wirkungsgrades ausdrückt.

Claims (3)

1. Axialverdichterstufe mit einem durch eine Innenwand (28) und eine Außenwand (26) begrenzten ringförmigen Strömungsquerschnitt und mit wenigestens einem Kranz von Laufschaufeln (36), deren Schaufelspitzen mit der benachtbarten Außenwand (26) eine zylindrischen Spalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (28) eine Oberfläche mit einem Innenwinkel (β₁), der größer als 180° ist, jeweils in einem ersten Schaufelkantenberich (66) und mit einem Innenwinkel (β₂), der kleiner als 180° ist, jeweils in einem zweiten Schaufelkantenbereich (68) hat und die Außenwand (26) eine Oberfläche mit einem Innenwinkel (α₁), der kleiner als 180° ist, jeweils in dem ersten Schaufelkantenbereich (66) und mit einem Innenwinkel (α₂), der größer als 180° ist, jeweils in dem zweiten Schaufelkantenbereich (68) hat.

2. Axialverdichterstufe nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Kranz von Leitschaufeln (32), deren Schaufelspitzen mit der benachbarten Innenwand (28) einen weiteren zylindrischen Spalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innenwand (26 und 28) im Bereich der Schaufelfüße (40 und 48) jeweils im Sinne einer Verengung des Strömungsquerschnitts kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

3. Axialverdichterstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen zylindrischen und kegelstumpfförmigen Konturen der Außen- und Innenwand (26 und 28) jeweils in den zwischen zwei Schaufelkränzen (36, 32) befindlichen Schaufelkantenbereichen (66, 68) gelegen ist.