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Axialverdichter Die Erfindung bezieht sich auf einen Axialverdichter
mit Lauf- und/oder Leitschaufeln, die einen im Bereich der Wandflächen geänderten
Querschnitt zur Kompensation der durch diese Wandflächen bewirkten Strömungsbeeinflussung
ausweisen.
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In einer Strömungsmaschine zur Umwandlung von kinetischer Energie
in Druckanstieg bestehen infolge der Reibung längs der Wände des Durchflußkanals
immer Abweichungen von den idealen Entwurfsbedingungen. Der Wirkungsgrad nimmt ab,
und es entstehen Änderungen der Strömungsverteilung, welche sich in den hintereinanderliegenden
Schaufelreihen nachteilig auswirken können. Bei Flugzeug-Gasturbinentriebwerken,
bei denen maximale Kornpression pro Stufe, hoher Wirkungsgrad und weiter Betriebsbereich
erforderlich sind, sind die Konstruktions- und Betriebsbegrenzungen, die durch Wandreibung
und Grenzschicht bestehen, sehr schwerwiegend.
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Es ist bekannt, die Wirkung der Wandreibung auf die Strömung dadurch
zu vermindern, daß der Eintrittswinkel der Schaufeln entsprechend an die geänderten
Strömungsbedingungen angepaßt wird. Durch diese bekannte Maßnahme werden jedoch
lediglich die durch Auftreten von Diskontinuität der Strömung im Bereich der Wandflächen
beim Schaufeleintritt bewirkten Mängel ausgeglichen. Ein A ' usgleich der
durch den Einfluß der Wandreibung auftretenden direkten Geschwindigkeitsverluste
und damit Leistungsverluste erfolgt bei dieser bekannten Einrichtung nicht.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, die Änderung der
Schaufelforin im Bereich der Wandflächen so durchzuführen, daß der durch die Wandreibung
auftretende Geschwindigkeitsverlust möglichst weitgehend ausgeglichen wird. Gemäß
der Erfindung wird dadurch erreicht, daß die Schaufelkrümmung im Querschnitt im
Bereich der Wandflächen an den Austrittskanten der Schaufeln so gegenüber dem normalen
Querschnitt geändert ist, daß der Strömung im Bereich der Wandflächen eine gegenüber
dem Nonnalbereich erhöhte Geschwindigkeitskomponente übertragen wird.
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Versuche an einer Anzahl einzelnerAxialströmungskompressorstufen sowie
an mehrstufigen Kompressoreinheiten, die abgeänderte Schaufeln nach den Grundsätzen
der Erfindung benutzen, ergaben wesentliche Leistungsverbesserung gegenüber entsprechenden
in bekannter Weise ausgebildeten Teilen. Ausführliche Erprobungsversuche zeigten
auch verbesserte Geschwindigkeitsverteilung und Leistung in den den abgeänderten
Stufen folgenden Stufen. Eine vorhergehende Untersuchung eines Zentrifugalströmungskompressors
mit in gleicher Weise abgeänderten Einlaßleitschaufelblättern zeigte, daß dieser
Grundsatg auch bei solchen Kompressoren mit Erfolg angewandt werden kann.
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Vorzugsweise ist der an die Wandung angrenzende Abschnitt der Schaufel
in bezug auf die restliche Schaufellänge stärker gekrümmt. Dabei ist bei Laufschaufeln
vorzugsweise der äußere E * ndteil und/oder bei Leitschaufeln der innere
Endteil stark gekrümmL Es können aber au.ch beide Endteile jeder Leitschaufel stark
gekrümmt sein.
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Wenn im Verdichter längs des Gasströmungsweges vor den Lauf- und Leitschaufeln
Eintrittsleitschaufeln angeordnet sind, sind vorzugsweise einige oder alle an den
Windungen anliegenden Abschnitte dieser Eintrittsleitschaufeln in bezug auf das
normale Profil dieser Schaufeln im Sinne einer Änderung an der Austrittskante schwächer
gekrümmt.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine Axialströmungs-Gasturbinenkraftanlage
mit Einlaßleitschaufeln gemäß der Erfindung, F i g. 2 einen abgebrochen gezeichneten
Schnitt einer Einlaßleitschaufel, F i g. 3 einen Schnitt in der Nähe des
Außengehäuses durch die EiDlaßleitschaufeln, die erste Reihe der Laufschaufeln und
die erste Reihe der Ständerleitschaufeln der in F i g. 1 gezeigten Gasturbinenkraftanlage,
,
F i g. 4 ein Vektordiagramm der Gase, welche in
die Schaufelreihe nach F i g. -i eintreten und diese verlassen, F i
g. 5 einen abgebrochen gezeichneten Schnitt durch eine Laufschaufel und eine
Ständerleitschaufel. Eine Axialströmungs-Gasturbinenkraftanlage 10 in F i
g. 1. hat einen Einlaß 12 und einen Auslaß 14 für den Durchfluß der Gase.
Ein Einlaßkegel 16 begrenzt die Innenwand für die in die Kraftanlage eintretenden
Gase und trägt eine Anzahl radial angeordneter Einlaßleitschaufeln 18, die
an ihren Außenspitzen von einem Gehäuse 20 getragen werden, das eine Außenwand begrenzt.
Ein Axialströmungskompressorläufer 22 wird von einem Turbinenrad 24 angetrieben,
wobei die Schaufeln auf der ersten Stufe des Kompressors mit 26 bezeichnet
sind und der Läuferumfang einen Teil der Innenwand bildet. Feststehende Leitschaufeln
128 wechseln mit Reihen von Laufschaufeln ab. Versteifungs- oder Kranzelemente
30 verbinden die Innenenden der Leitschaufeln und bilden einen Teil der Innenwand.
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Die in die Kraftanlage eintretenden Gase haben eine Axialgeschwindigkeit
V" wie in F i g. 4 angegeben ist. Diese Gase verlaufen über Einlaßleitschaufeln
18, welche den Gasen den gewünschten Drall geben, wie aus F i g. 3
erkennbar ist, wo-bei sie die Schaufeln in der mit dem Vektor V, bezeichneten Richtung
verlassen. Die Einlaßleitschaufeln sind so geformt, daß ein gleichmäßiger, kontinuierlicher
Drall von Wand zu Wand entsteht. Die Einlaßleitschaufeln sind im Bereich der einen
oder beider Wandflächen nur wenig oder nicht gekrümmt oder sogar gering-fügig
entgegengesetzt zur normalen Schaufelkrümmung gekrümmt, so daß die kinetische Energie
der Gase an den Wandflächen auf einen Wert vergrößert wird, der die Neigung zur
Ablösung in den folgenden Schaufeln vermindert. Auf diese Weise behalten die Gase,
statt angrenzend an die Gehäusewände die Einlaßleitschaufeln in der Richtung V,
zu verlassen, eine im wesentlichen axiale Richtung bei, die sich der Richtung von
V" annähert. Das Ausmaß dieser Änderung der Leitschaufeln hängt von der Neigung
zum Ablösen in den folgenden Laufschaufeln ab.
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Die Änderung des Leitschaufelwinkels nahe den Wänden bewirkt ein vergrößertes
Auftreffen von Strömungsenergie auf die nachfolgenden Laufschaufeln.
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Eine der Einlaßleitschaufeln 18 ist im einzelnen in F i
g. 2 dargestellt. Sie hat außer im Bereich 28 bzw. 30 der Wände
16 und 20 einen gewölbten Querschnitt 32. Die Schaufelspitzen haben
einen im wesentlichen symmetrischen Querschnitt, wie bei 34 und 36 dargestellt
ist. Der mittlere Schaufelteil geht in die geänderten Teile im Bereich
28 und 30 in einer glatten und stetig gekrümmten Fläche über.
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Gase, die über den Mittelteil der Schaufel strömen, werden gedreht
und verlassen die hintere Kante der Schaufel in der Richtung Vi. Gase, die über
die geänderten Teile 28 und 30 strömen, verlassen die hilntere Kante
in einer mehr axialen Strömungsrichtung, während Gase, die in unmittelbarer Nähe
der Wände 16 und 20 verlaufen, eine axiale Strömungsrichtung haben. Die genaue
Art der Schaufeländerung, die erforderlich ist, um die kinetische Energie der Gase
in der Grenzschicht auf einem hohen Wert zu halten, hängt von den Entwurfsbedingungen
ab.
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Der in F i g. 3 dargestellte Schnitt ist so gewählt, daß er
die Lage zwischen den Einlaßleitschaufeln, der ersten Reihe der Laufschaufeln und
der ersten Reihe der Ständerleitschaufeln zeigt. Die Gase, die in die Kraftanlage
eintreten, haben in dem Diagramm nach F i g. 4 eine axiale Geschwindigkeit
V" und werden gedreht, so daß sie die Schaufelreihen in der durch den Vektor Vi
angegebenen Richtung verlassen. Da die Laufschaufeln 26, durch welche die
Gase zunächst strömen, eine Rotationsgeschwindigkeit S haben, ist die Geschwindigkeit
der Gase mit Bezug auf die Laufschaufeln V_ Die Richtung des Vektors V, stellt den
Eintrittswinkel der Schaufeln 26 her. Wenn- die Gase über die Laufschaufeln
strömen, werden sie gedreht und in der Richtung von V, ausgestoßen. Da auch die
Gase eine Rotationsgeschwindigkeit S haben, ist die resultierende Geschwindigkeit
mit Bezug auf die folgende Reihe der Ständerleitschaufeln 128 V4. Dieser
Vektor stellt den Eintrittswinkel der Vorderkante der Ständerleitschaufeln
128 her. Die Gase verlassen die Ständerleitschaufeln in Richtung des Vektors
V", und strömen durch die folgenden Stufen der Kraftanlage mit einem Drall, der
dem beschriebenen entspricht.
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Mit der im Bereich der Wandflächen gegenüber der normalen Krümmung
geänderten Krümmung des Querschnitts der Laufschaufeln 26 und der Leitschaufeln
128, wird die Pumpwirkung erhöht und die Ab-
lösung der Strömung an
diesen Schaufeln vermindert oder beseitigt. Der nutzbare Arbeitsbereich der Beschaufelung
wird erweitert. In F i g. 5 ist der an die Wandung angrenzende Abschnitt
134 der Laufschaufel 26, die ein Tragflügelprofil 132 hat, stärker
gekrümmt als der übrige Teil der Schaufel. An der Schaufelspitze 136 ist
die Krümmung am größten. Der geänderte Teil geht in den restlichen Teil der Schaufel
in einer glatten und kontinuierlichen Fläche über. An der auf die Laufschaufel
26 folgenden Ständerleitschaufel 128 ist der an die Wandung
30 angrenzende Abschnitt 138 in ähnlicher Weise verhältnismäßig stärker
gekrümmt. Der nicht geänderte Querschnitt dieser Schaufel ist bei 140 erkennbar,
und ein abge-u änderter Querschnitt ist bei 142 dargestellt.
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Die aerodynamische Belastung der Enden der umlaufenden Schaufeln wird
durch Vergrößerung des Eintrittswinkels erhöht, unter dem sich die Gase den Schaufeln
nähern, oder durch Erhöhung des Dralls in den Schaufeln, oder durch die Kombination
beider Maßnahmen.
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Die über den geänderten Querschnitt der Schaufeln strömenden Gase
verlassen die Schaufeln in einer mehr axialen Richtung als die Gase, welche die
nicht geänderten Teile der Schaufeln verlassen. Dies ist in F i g. 4 veranschaulicht,
wo der Vektor V, die Richtung der Gase anzeigt, die den nicht geänderten
Teil der Ständerleitschaufeln 128 verlassen. V, ist der Geschwindigkeitsvektor
der Gase, die den geänderten Teil 138 der Ständerleitschaufeln
128 verlassen. In diesem Diagramm ist die Axialkomponente V, größer
als die Axialkomponente V". Bei den Laufschaufeln 26 haben die Gase, die
den geänderten Teil 134 verlassen, eine größere Axialkomponente, als die Gase, die
den normalen Teil verlassen. Durch die Vergrößerung der Axialkomponente wird die
axiale Kraft auf den Gasdurchtluß auf einem hohen Wert gehalten, wodurch die Wandablösung
vermindert oder beseitigt und eine nahezu gleichförmige Geschwindigkeit über die
gesamte Schaufelhöhe erreicht wird.
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Die Änderung der Schaufelkrümmung kann bei einer beliebigen Anzahl
von Lauf- und Ständerleitschaufelreihen vorgesehen sein. Sie kann nur auf die
Ständerleitschaufeln
oder nur auf die Laufschaufeln beschränkt sein. F i g. 5 veranschaulicht
ihre Anwendung auf eine Laufschaufelspitze und auf einen Ständerleitschaufelf uß.