Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Triebwerk mit einem Verdichter.

Technisches Problem

Ein solcher Verdichter verdichtet ein Verdichtungsmedium, wobei sich der Druck des Mediums dabei erhöht. Zum Erreichen von hohen Drücken weist der Verdichter mehrere Stufen auf, die aus abwechselnd angeordneten Rotoren und Statoren oder sog. Leitgitter bestehen.

Üblicherweise weist der Verdichter in Strömungsrichtung ein Eintrittsleitgitter, und ein dem Eintrittsleitgitter nachgeschalteten Rotor (mit Rotorschaufeln) auf. Diesem Rotor folgt wiederum ein Leitrad und diesem wieder ein Rotor usw. Die Schaufeln der Leitgitter und Rotoren sind zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet.

Zur Erhöhung der aerodynamischen Stabilität des Verdichters sind in der Regel die Leitgitter, insbesondere das Eintrittsleitgitter, verstellbar gestaltet, um den Abströmwinkel ändern zu können. Diese Verstellung wird dabei meist durch Drehen der Leitgitterflügel erzielt. Diese Verdrehung führt zu einer Anpassung des Verhältnisses der am Verdichtereintritt und -austritt effektiv zu Verfügung stehenden Strömungsfläche an ein geändertes Druckverhältnis des Verdichters.

In der Regel werden dabei die Leitgitterflügel als ganzes als starrer Körper verdreht. Beim Verdrehen wird der Abströmwinkel des Leitgitters in erster Näherung radial konstant verändert.

Es ist z.B. aus der Druckschrift DE 36 24 951 ein Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 bekannt, der ein Leitgitter aufweist, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter hat. Auch bei diesen Einzelleitgittern sind die Flügel als ganzes verdrehbar, um den Abströmwinkel des Leitgitters zu verändern.

Eine andere Möglichkeit, den Abströmwinkel zu ändern, ist in der Druckschrift EP 1 898 055 gezeigt, in der ein Gitterflügel einen die Last aufnehmenden Innenkörper aufweist, der von einem Mantel umgeben ist. Zwischen Innenkörper und Mantel sind Aktuatormechanismen angeordnet, die die Form des Mantels ändern können. Dabei wird der Gitterflügel in radialer Richtung als ganzes geändert.

Eine wiederum andere Möglichkeit, den Abströmwinkel zu ändern, ist in der Druckschrift DE 102 56 008 gezeigt, in der in Strömungsrichtung gesehen eine Hinterkante eines Flügels aufgrund aufblasbarer Kammern relativ zu seiner Vorderkante beweglich ist.

Durch diese bekannten Möglichkeiten zur Änderung des Abströmwinkels kann der üblicherweise für den Vollastbetrieb ausgelegte Verdichter zu einem Teillastbetrieb geschaltet werden, bei dem andere Strömungszustände herrschen.

Im Teillastbetrieb eines derart ausgelegten Verdichters kommt es aber aufgrund der Drallverteilung am Vorleitgitteraustritt zu einer starken Massenstromverlagerung am Austritt des ersten Rotors, die in Gehäuserichtung erfolgt. Die folgenden Gitter und insbesondere der folgende Rotor leiden darunter mit aerodynamisch sehr stark belasteten Nabenpartien. Dadurch entsteht die Gefahr einer Strömungsablösung. Tritt eine Strömungsablösung in einer oder in mehreren Stufen des Verdichters auf, ergibt sich ein massiver Leistungsabfall im Verdichter. Der Verdichter neigt dann zu einem sog. Pumpen, da die Strömung keine ausreichende kinetische Energie mehr besitzt, um den Druckanstieg zu bewältigen.

Gehäuseeinbauten können zwar stabilisierend wirken. Das damit verbundene

Potential kann jedoch nur teilweise ausgenutzt werden, da als nächstes an den hoch belasteten Nabenpartien des nächsten Leitgitters und nächsten Rotors Strömungsablösungen auftreten können, was wiederum zu einem Verdichterpumpen führt.

Aufgabe der Erfindung Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Verdichter, der Veränderungen des Abströmwinkels am Leitgitter besser als zuvor bewerkstelligt, und ein verbessertes Triebwerk zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist es, den Pumpgrenzabstand zu erhöhen.

Im Hinblick auf den Verdichter ist diese Aufgabe durch einen Verdichter mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2, 6 oder 7 gelöst. Im Hinblick auf das Triebwerk ist die Aufgabe durch ein Triebwerk mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 1 und 2 ist das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei oder mehr relativ zueinander verstellbare Abschnitte geteilt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 6 und 7 belässt das Leitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe einen Freiraum, der Strömung in wesentlichem Maß passieren laßt.

Bei diesen Aufbauarten kann die Zuströmung vom Leitgitter zum nachfolgenden Rotor entlang der Erstreckungsrichtung eines Leitgitterflügels (radial) unterschiedlich gestaltet sein. Somit kann der Abströmwinkel des Leitgitters an der Gehäuseseite stärker verändert werden als an der Nabenseite. Dies führt zu einer reduzierten Verlagerung des Massenstroms am Austritt des Rotors. Dies wiederum fuhrt zu einer Entlastung des folgenden Gitters und insbesondere des folgenden Rotors. Als Ergebnis hat der Verdichter einen größeren Pumpgrenzabstand.

Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 3 ermöglicht eine technisch einfache Verstellbarkeit der Leitgitterabschnitte.

Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 4 ermöglicht ein sehr spezifisches

Ansprechen auf erwünschte Strömungszustände.

Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 5 kann auch ein Leitgitterabschnitt relativ verstellt werden, der nicht zu Nabe oder Gehäuse benachbart ist. Dadurch kann eine Unterteilung in eine Vielzahl an relativ veränderbaren Leitgitterabschnitten in radialer Richtung erfolgen. Somit können viele fein abgestufte Strömungsdifferenzen zwischen Gehäuse und Nabe bewirkt werden. Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 8 ermöglicht, dass die Nabenseite auf sehr einfache Weise entlastet wird.

Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 9 ermöglicht, dass die Gehäuseseite auf sehr einfache Weise entlastet wird, sollte dies einmal erforderlich sein.

Der erfindungsgemäße Verdichter nach Anspruch 10 ermöglicht, dass insbesondere der erste Rotor hinter dem Eintittsleitgitter eine Strömungsverbesserung erfährt.

Die erfindungsgemäßen Verdichter nach Anspruch 11 und 12 ermöglichen ein wunschgemäßes Antreiben eines spezifischen Leitgitterabschnittes.

Das erfindungsgemäße Triebwerk nach Anspruch 13 nutzt diese Vorteile eines Verdichters.

Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von speziellen Ausführungsformen genauer erläutert. Zur besseren Veranschaulichung einiger Aspekte der Erfindung sind Zeichnungen beigefügt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Wirkskizze eines Verdichters mit radial konstanter Veränderung des Abströmwinkels, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 2 zeigt eine Wirkskizze eines erfindungsgemäßen Verdichters mit radial veränderlicher Veränderung des Abströmwinkels.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante in Strömungsrichtung mit zweigeteiltem Leitgitter mit feststehendem Teil und verstellbarem Teil mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum.

Fig. 5 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 3. Fig. 6 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 4.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsformen

Nachstehend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ggf. unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Zunächst ist der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.

Der Verdichter weist in Strömungsrichtung ein Eintrittsleitgitter und einen dem Eintrittsleitgitter nachgeschalteten Rotor auf. Diesem Rotor folgt wiederum ein Leitgitter und diesem wieder ein Rotor usw. Die Leitgitter und Rotoren sind zwischen einem Gehäuse und einer Nabe des Verdichters angeordnet. Die Nabe des Verdichters kann dabei ein Drehkörper des Rotors sein oder ein nicht drehender Stützabschnitt, der vom Rotorkörper separat ist. Beide Aufbauarten sind aus dem Stand der Technik bekannt.

In einer ersten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein verstellbares Leitgitter auf, das in zwei Abschnitte in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe (radial) geteilt ist. Diese beiden Leitradabschnitte können relativ zueinander verstellt werden. Die Verstellung kann durch Drehen per Verdrehmechanismus bewirkt werden, wie dies aus der DE 36 24 951 bekannt ist. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine spezielle Art an Verstellmechanismus beschränkt. Die Verstellung kann auch durch Änderung der Mantelform per Aktuatormechanis- men bewirkt werden, wie dies aus der EP 1 898 055 bekannt ist, oder durch aufblasbare Kammern bewirkt werden, wie dies aus der DE 102 56 008 bekannt ist. Weitere Verstellmechanismen sind ebenfalls denkbar, wichtig ist lediglich, dass eine Relativdrehung der Leitradabschnitte radial verwirklicht werden kann.

Ein Leitradabschnitt kann von der Gehäuseseite aus verstellt werden, während der andere Leitradabschnitt von der Nabenseite aus z.B. durch Mikroaktuatoren verstellt werden kann.

In einer zweiten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein Leitgitter nach der sog. Tandembauweise auf, das zwei in Strömungsrichtung im wesentlichem hintereinander angeordnete Einzelleitgitter hat, von denen eines unabhängig vom anderen zum Ändern des Abströmwinkels verstellbar ist. Es können aber auch beide Einzelleitgitter verstellbar sein, wie dies aus der DE 36 24 951 bekannt ist.

Von diesen Einzelleitgittern ist ein Einzelleitgitter in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei zueinander verstellbare Abschnitte geteilt, wobei auch beide Einzelleitgitter jeweils in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe in zwei zueinander verstellbare Abschnitte geteilt sein können.

In einer dritten Ausfϊihrungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein zum Ändern des Abströmwinkels verstellbares Leitgitter auf, das in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt ist und einen Freiraum zur Nabe hin belässt.

In einer vierten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter wieder ein in Tandembauweise ausgeführtes Leitgitter ähnlich wie in der zweiten Ausführungs- form auf.

Eines der Einzelleitgitter, vorzugsweise das in Strömungsrichtung hintere Einzelleitgitter, ist in Erstreckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt und belässt einen Freiraum zur Nabe hin.

In der dritten und vierten Ausführungsform hat der Freiraum eine derartige Größe, dass die Strömung in einem wesentlichen Maß passieren kann. Der Freiraum kann z.B. ¹ A, die Hälfte oder ³ A der Gesamtlänge zwischen Gehäuse und Nabe betragen. Die Freiraumlänge kann auch wunschgemäß gewählt werden.

Nachstehend ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verdichters beschrieben.

Bei den Verdichtern der ersten und dritten Ausführungsform ist das Leitgitter radial in Abschnitte geteilt. Dabei kann der Abströmwinkel am Nabenbereich anders als am Gehäusebereich eingestellt werden. Insbesondere kann durch Verstellung am Nabenbereich eine Abströmwinkeldifferenz αl eingestellt werden, die sich von der Abströmwinkeldifferenz α2 am Gehäusebereich unterscheidet.

Bei den Verdichtern der zweiten und vierten Ausführungsform weist das Leitgitter einen geeignet gestalteten Freiraum am Nabenbereich auf. Dabei kann der Abströmwinkel am Gehäusebereich verändert werden, wobei in der Nähe der Nabe kaum eine Veränderung bewirkt wird. Insbesondere kann am Nabenbereich eine Abströmwinkeldifferenz αl von annähernd Null erzielt werden, die sich von der Abströmwinkeldifferenz α2 am verstellten Gehäusebereich unterscheidet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Gegenüberstellung von Wirkskizzen eines Verdichters mit radial konstanter Veränderung des Abströmwinkels, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, und eines erfindungsgemäßen Verdichters mit radial veränderlicher Veränderung des Abströmwinkels.

Durch die weißen Pfeile ist die Änderung des Abströmwinkels von Hochlast am

Auslegungspunkt zu Teillast gezeigt. Deutlich erkennbar ist der in der vorliegenden Erfindung bewirkte Abströmwinkelverlauf, bei dem die Änderung des Abströmwinkels radial von Nabenseite zu Gehäuseseite zunimmt.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine radial unterschiedliche Änderung des Abströmwinkels am Eintrittsleitgitter (Vorleitrad) bewirkt.

Somit kann die Zuströmung vom Leitgitter zum nachfolgenden Rotor entlang der Erstreckungsrichtung (radial) unterschiedlich gestaltet werden. Insbesondere kann der Abströmwinkel des Leitgitters an der Gehäuseseite stärker verändert werden als an der Nabenseite. Dies führt zu einer reduzierten Verlagerung des Massenstroms am Austritt des Rotors. Dies wiederum führt zu einer Entlastung des folgenden Gitters und insbesondere des folgenden Rotors. Als Ergebnis hat der Verdichter einen größeren Pumpgrenzabstand.

Somit kann die vorliegende Erfindung eine deutliche Verbesserung bei der Pumpgrenze im Teillastbereich vorsehen. Dies sorgt für eine deutliche Verbesserung gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik.

Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung ist daher das vorstehend genannte Problem der Strömungsablösung minimiert.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum gemäß z.B. der vorstehend erläuterten dritten Ausführungsform. Ein verstellbares Leitgitter ist so verkürzt am Gehäuse angelenkt, dass ein Bereich an der Nabe frei bleibt (Freiraum). In diesem Bereich wird die Strömung von diesem Leitgitterflügel nicht aktiv beeinflusst. In der Darstellung ist der freie Bereich in radialer Richtung geringfügig kürzer als die Länge des Leitgitterflügels.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Variante in Strömungsrichtung mit zweigeteiltem Leitgitter mit feststehendem Teil und verstellbarem Teil mit einem verkürztem Leitgitterflügel und einem Freiraum gemäß z.B. der vorstehend erläuterten vierten Ausführungsform. In Strömungsrichtung vor dem verstellbaren Leitgitterflügel, der ähnlich wie in Fig. 3 aufgebaut ist, ist ein feststehendes Einzelleitgitter vorgeschaltet, so dass sich eine Tandembauweise ergibt.

Fig. 5 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 3. Deutlich erkennbar ist der in der vorliegenden Erfindung bewirkte Abströmwinkelverlauf, bei dem der Abströmwinkel von der Nabe (N) bis zu einem Punkt 1 unverändert bleibt (Abströmwinkel im Auslegungspunkt gleich Abströmwinkel bei Teillast). Ab Punkt 1 zur Gehäuseseite nimmt die Änderung des Abströmwinkels kontinuierlich zu.

Fig. 6 zeigt eine Wirkskizze zu dem Aufbau von Fig. 4. Im Unterschied zu der vorher beschriebenen Variante (Fig. 6 und Fig. 4) ist der Abströmwinkel im Bereich zwischen Nabe N und Punkt 1 beliebig. Der gewünschte Leitradabströmwinkel wird von dem feststehenden Teil bewirkt. Der verstellbare Teil des zweigeteilten Leitgitters bewirkt die von Punkt 1 zum Gehäuse hin zunehmende Änderung des Abströmwinkels.

Punkt 1 liegt vorzugsweise zwischen 10% und 90% Kanalhöhe. (Kanalhöhe ist definiert als Γ-ΓN^ ).

TGehäuse - TNabe

Alternativen

Bei der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausfuhrungsform sind beide Leitradabschnitte relativ zueinander verstellbar. Es ist aber auch ein Aufbau denkbar, bei dem nur einer der beiden Leitradabschnitte verstellbar ist und der andere Leitradabschnitt starr ist. Auch in diesem Fall kann ein radial unterschiedlicher Abströmwinkel erzielt werden.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform sind zwei Leitradabschnitte relativ zueinander verstellbar. Es können aber auch drei oder mehr Leitradabschnitte radial relativ zueinander verstellbar gestaltet werden. Der Antrieb der inneren Leitradabschnitte, die nicht benachbart zu Gehäuse/Nabe sind, kann so gestaltet sein, dass ein erster Leitgitterabschnitt an Nabe und/oder Gehäuse eine Übertragungseinrichtung aufweist, die Verstellantriebsenergie durch diesen hindurchführt, um einen zweiten (inneren) Leitgitterabschnitt relativ zum ersten zu verstellen.

Bei der dritten und vierten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Verdichter ein zum Ändern des Abströmwinkels verstellbares Leitgitter auf, das in Erstre- ckungsrichtung von Gehäuse zu Nabe verkürzt ist und einen Freiraum zur Nabe hin belässt. Sofern dies erwünscht ist, ist auch ein Aufbau denkbar, bei dem im Nabenbereich ein verkürztes Leitgitter angeordnet ist und ein Freiraum zum Gehäuse hin belassen bleibt. Das verkürzte Leitgitter kann z.B. mittels dünnen Streben am Gehäuse befestigt sein (z.B. eine dünne Strebe pro Leitgitterflügel), sofern der

Strömungswiderstand aufgrund dieser dünnen Strebe hingenommen werden kann.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Eintrittsleitgitter so gestaltet, dass es einen radial unterschiedlichen Abströmwinkel erzielen kann. Ein entsprechender Aufbau kann auch - vor jedem Folgerotor - an jedem Leitgitter vorgesehen werden, so dass auch vor jedem Folgerotor ein radial unterschiedlicher Abströmwinkel erzielbar ist.