DE2740903A1

DE2740903A1 - Einrichtung zur beseitigung der wandgrenzschicht in diffusoren von radialverdichtern

Info

Publication number: DE2740903A1
Application number: DE19772740903
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Weiler
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1977-09-10
Filing date: 1977-09-10
Publication date: 1979-03-22
Also published as: FR2402788A1; FR2402788B3; GB2004024B; GB2004024A

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH

München, den 6. September 1977

Einrichtung zur Beseitigung der Wandgrenzschicht in Diffusoren von Radialverdichtern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Beseitigung der Wandgrenzschicht in Diffusoren von Radialverdichtern, insbesondere für Gasturbinentriebwerke.

Radialverdichter, insbesondere Radialverdichter mit hohen Druckverhältnissen, weisen polytrope Verdichterwirkungsgrade auf, die sich von denen mehrstufiger Axialverdichter für. vergleichbare Druckverhältnisse deutlich unterscheiden. Es ist durch eine Vielzahl von Versuchen nachgewiesen, daß diese relativ niedrigen Wirkungsgrade hauptsächlich durch die Verluste im Leitrad bzw. den Leiträdern des Radialverdichters entstehen, wo die aus dem Laufrad kommende Strömung verzögert und umgelenkt wird.

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Es wurde schon vorgeschlagen, die bei der Durchströmung des Laufrads entstandene Grenzschicht im unbeschaufelten Ringraum zwischen Laufradaustritt und Leitradeintritt abzusaugen, um die Verhältnisse in der Leitvorrichtung zu verbessern. Diese Maßnahme verhindert aber nicht den Aufbau neuer Strömungsgrenzschichten an den Schaufeln und den Wänden des Leitrades bzw. der Leiträder, womit die hauptsächlichen Verlustquellen mit ihrem dominanten Einfluß auf die Höhe des polytropen Verdichterwirkungsgrades erhalten bleiben.

Im Rahmen des eingangs behandelten Problemkreises hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zu schaffen, mit der der Wirkungsgrad von Radialverdichtern auf verhältnismäßig einfache Weise verbessert werden soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wandgrenzschicht längs der Kanalwände und/oder längs der Schaufeln der Leitvorrichtung des Radialdiffusors absaugbar ist, wozu die Kanalwände insbesondere in Bereichen mit ausgebildeter Grenzschicht porös bzw. perforiert sind, und diese porösen bzw. perforierten Zonen der Kanalwände mit Absaugkanälen in Verbindung stehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt eines Gasturbinentriebwerkes,

Fig. 2 einen Radialschnitt einer vergrößert dargestellten Einzelheit des zum Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 gehörigen Radialdiffusors in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt einer Leitschaufel des Radialdiffusors und

Fig. 4 einen Radialschnitt einer vergrößert dargestellten Einzelheit des Radialdiffusors in einer zweiten Ausführungsform.

Das Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 weist u.a. einen Radialverdichter 1 auf mit einem diesem nachgeschalteten Radialdiffusor 2, aus dem die Verdichterluftströmung über einen um 90° abgewinkelten Krümmer 3 in axialer Richtung abgelenkt und einem sich an den Krümmer 3 anschließenden Axialleitgitter 4 zugeführt wird.

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Nach dem Austritt aus dem Axialleitgitter 4 wird die Verdichterluft einer Ring-Umkehrbrennkammer 5 als Verbrennungs-, Misch- sowie Kühlluft zugeführt.

Mit 6 ist in Fig. 1 weiter die Verdichterturbine bezeichnet, die den auf gleicher Welle 7 sitzenden Radialverdichter 1 antreibt. Die Leit- und Laufschaufeln der Verdichterturbine 6 sind der Reihe nach mit 8 und 9 bzeichnet. Die Verdichterturbine 6 kann gegebenenfalls mehrstufig ausgeführt sein. Ein verdichterseitiges Hauptlager für die Welle 7 ist mit 10 bezeichnet.

In den Zeichnungen nicht weiter dargestellt, kann das Gasturbinentriebwerk nach Fig. 1 eine der Verdichterturbine nachgeschaltete, von dieser mechanisch unabhängige Nutzturbine aufweisen, welche über eine durch die als Hohlwelle ausgebildete Welle 7 hindurchgeführte Innenwelle 11 einen als Axialverdichter ausgebildeten Niederdruckverdichter antreibt, der dem Radialverdichter aerodynamisch vorgeschaltet ist.

Die Erfindung schließt im übrigen eine Triebwerkskonzeption mit einem kombinierten Axial-Radialverdichter mit ein.

Gemäß Fig. 1 und 2 sind weiter die Innenwandungen 12 des Radialdiffusors 2 unter Belassung von Sammelräumen 13, 14

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für die abgesaugte Grenzschicht an den als Tragschale ausgebildeten äußeren Gehäusewandungen 15 des Radialdiffusors angeordnet.

Wie aus Fig. 2 deutlicher hervorgeht, sind die äußeren Gehäusewandungen 15 des Radialdiffusors 2 mit seitlich vorstehenden Warzen 16 versehen, mit welchen die Innenwandungen 12 des Radialdiffusors im vorliegenden Fall z.B. verschweißt sind. Die entsprechenden Schweißstellen sind mit 17 bezeichnet.

Die den Strömungskanal 18 umgrenzenden Innenwandungen 12 des Radialdiffusors 2 können zweckmäßig als verhältnismäßig dünne Lochfolie ausgebildet sein, deren Bohrungen 19 den Strömungskanal 18 mit den Sammelräumen 13, 14 verbinden.

Der Strömungskanal 18 ist weiter mit im Querschnitt dreieckförmigen Leitschaufeln 20 versehen, die gemäß oberem versetzten Schnitt der Fig. 2 sowie gemäß Fig. 3 als Hohlschaufeln ausgebildet sein sollen, deren jeweilige Hohlräume 21 hier z.B. mittels in den seitlichen Wandteilen der Schaufeln sowie den Innenwandungen 12 enthaltener Bohrungen 22 die Sammelräume 13, 14 untereinander verbinden, welche somit beide dem zum Absaugen der Wandgrenzschicht geeigneten gleichen Druckniveau ausgesetzt sind.

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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, können die Leitschaufeln 20 längs der zur Strömungsführung vorgesehenen Wandteile 23, 24 zusätzlich mit Bohrungen 25, 26 zur Grenzschichtabsaugung versehen sein.

Die äußeren Wandungen 15 des Radialdiffusors 2 sind mit einer öffnung 15· versehen, über die die in den Räumen 13, 14 gesammelte Grenzschicht über eine Leitung 16' (Fig. 1) einem geeigneten triebwerksseitigen Verbraucher zugeführt werden kann. Die gesammelte Grenzschicht kann z.B. als Kühloder Arbeitsluft der Nutzturbine zugeführt werden; sofern die Druckverhältnisse hierfür günstig bzw. ausreichend sind, kann die abgesaugte Grenzschicht als Lagersperrluft verwendet werden.

Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die äußeren Gehäusewände 27 ebenfalls als Tragschale ausgebildet sind, hier jedoch der Reihe nach abwechselnd mit seitlich nach innen vorstehenden Warzen 28 oder Rippen 29 versehen sind.

Die Innenwandungen 30 bestehen wiederum aus einer den Strömungskanal 31 umgrenzenden Lochfolie.

Infolge der koaxial zur Triebwerksachse durchlaufenden Anordnung der Gehäuserippen 29 können voneinander gesonderte Sammelräume 32, 33 und 34 bzw. 35, 36 und 37 gebildet werden, über voneinander getrennte Hohlräume in den Zeichnungen nicht weiter darge-

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stellter Leitschaufeln dieses Radialdiffusorabschnitts können die Sammelräume 32, 35 bzw. 33, 36 bzw. 34, 37 miteinander verbunden werden. Es lassen sich somit immer jeweils zwei einander gegenüberliegende Sammelräume 32, 35 bzw. 33, 36 bzw. 34, 37 zu Räumen mit gleichem Druckniveau zusammenführen, wobei jedoch das jeweilige Druckniveau in diesen Räumen - in radialer Richtung gesehen von Fall zu Fall verschieden sein kann.

Mit Rücksicht auf die herrschenden Strömungszustände im Strömungskanal 31 kann für die Grenzschichtbeseitigung von Fall zu Fall eine unterschiedliche Belochung für die als Innenwand 30 fungierende Folie zugrundegelegt werden, wie dies anhand der Fig. 4 beispielsweise durch die Bohrungen 38 bzw. 39 bzw. 40 mit fallweise jeweils verschiedenen Lochabständen verdeutlicht ist.

Gemäß Fig. 4 ist weiter die als Innenwand 30 fungierende Folie an den Stellen 41 bzw. 42 an den Warzen 28 bzw. an den Rippen 29 der äußeren Gehäusewand 27 verschweißt.

Sowohl für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 oder nach Fig. sei zugrundegelegt, daß an Stelle der erwähnten Schweißverbindung der jeweiligen Innenwände 12 oder 30 des Radialdiffursors mit den äußeren Gehäusewänden 15 oder 27 eine Niet- Lötoder Klebverbindung gewählt werden kann.

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Die als jeweilige Innenwandung fungierende Folie sollte aus einem der auftretenden Verdichtertemperatur adäquaten Werkstoff gefertigt sein, so z.B. aus Stahl, einer Stahllegierung, Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, wobei die Belochung der genannten Lochfolie vorzugsweise nach dem Elektronenstrahlverfahren vorgenommen werden kann. Ferner kann die als Innenwand dienende perforierte Schale aus einem keramischen Werkstoff gerfertigt sein, wobei dann vorzugsweise die oben erwähnte Klebverbindung zugrundegelegt werden kann.

Der für die Folie zu verwendende keramische Werkstoff kann derart porös sein, daß hiermit - anstelle der aufgezeigten Bohrungen - der erwünschten Grenzschichtabsaugung Rechnung getragen werden kann.

Auch hinsichtlich einer örtlich erwünschten unterschiedlichen Perforierung eignet sich der keramische Werkstoff, zumal dies bereits bei der Herstellung der Folie u.a. durch eine gesteuerte unterschiedliche Korngrößenzusammensetzung in die Wege geleitet werden kann.

Wie anhand der Fig. 4 weiter veranschaulicht, sind die äußeren Gehäusewandungen 27 des Radialdiffusors mit Öffnungen 43, 44 und 45 versehen, aus denen die pro Gehäusekammern 32, 35 bzw. 33, 36 bzw. 34, 37 gesammelte Grenzschicht über nicht weiter dargestellte Leitungen entsprechenden Verbrauchern zugeführt werden kann.

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Claims

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MÜNCHEN GMBH

München, den 6. September 1977

Paten t a η s ρ rüch e

.J Einrichtung zur Beseitigung der Wandgrenzschicht in Diffusoren von Radialverdichtern, insbesondere für Gasturbinentriebwerke, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandgrenzschicht längs der Kanalwände (12) und/ oder längs der Schaufeln (20) der Leitvorrichtung des Radialdiffusors (2) absaugbar ist, wozu die Kanalwände insbesondere in Bereichen mit ausgebildeter Grenzschicht porös bzw. perforiert sind, und diese porösen bzw. perforierten Zonen der Kanalwände mit Absaugkanälen in Verbindung stehen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialdiffusor (2) doppelwandig ausgeführt ist, wobei die Innenwandungen (12), bzw. die der Strömung zugewandte Schale, aus einer verhältnis-

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ORIGINAL INSPECTED

mäßig dünnen Lochfolie bestehen, welche unter Belassung seitlicher Sammelräume (13, 14) für die Grenzschicht an den als Tragschale ausgebildeten, äußeren Gehäusewandungen (15) des Radialdiffusors angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochfolie an seitlich vorstehenden Warzen (16, 20) und/oder Rippen (29) der äußeren Gehäusewände (15, 27) verschweißt, verlötet, vernietet oder verklebt ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Lochfolie und den angrenzenden äußeren Gehäusewänden (27) liegende Zwischenraum mittels der Rippen (2 9) in mehrere Sammelräume (32, 35) bzw. (33, 36) bzw. (34, 37) unterschiedlichen Druckniveaus aufgeteilt ist.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Sammelräumen (13, 14) bzw. (32, 35) gesammelte Grenzschicht als Arbeits-, Kühl- oder Lagersperrluft oder Zapfluft für externen Bedarf benutzbar ist.
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6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen bzw. perforierten Zonen der Kanalwände, bzw. die Folie, eine Belochung aufweisen, die bezüglich des Lochdurchmessers und/oder der Lochabstände mit Rücksicht auf die herrschenden Stromungszustände örtlich verschieden ausgeführt ist.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelräume (13, 14) über die hohlen Leitschaufeln (20) untereinander verbunden sind.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel voneinander getrennte Hohlräume zur Verbindung einander gegenüberliegender Sammelräume (32, 35) bzw. (33, 36) bzw. (34, 37) aufweist.

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