DE102014226689A1 - Rotor blade of an axial flow machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Rotor-Schaufelblatt (1) einer Axialströmungsmaschine, das eine Vorderkante (11), eine Hinterkante (12), eine Druckseite (13) und eine Saugseite (14) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Vorderkante (11) des Schaufelblattes (1) in axialer Richtung von vorne betrachtet S-förmig ausgebildet ist.The invention relates to a rotor blade (1) of an axial flow machine, which has a front edge (11), a trailing edge (12), a pressure side (13) and a suction side (14). It is envisaged that the front edge (11) of the airfoil (1) in the axial direction is S-shaped viewed from the front.
Description
Die Erfindung betrifft ein Rotor-Schaufelblatt einer Axialströmungsmaschine. The invention relates to a rotor blade of an axial flow machine.
Zur Begrenzung des Risswachstums in einem Werkstoff ist es grundsätzlich anzustreben, Druckeigenspannungen in den Werkstoff einzubringen. Dies gilt auch für die Schaufelblätter des Rotors einer Axialströmungsmaschine, bei denen Risse beispielsweise durch Fremdkörper, die auf die Schaufeloberfläche prallen, entstehen können. To limit the crack growth in a material, it is always desirable to introduce internal compressive stresses into the material. This also applies to the blades of the rotor of an axial flow machine, in which cracks can occur, for example, due to foreign objects which impinge on the blade surface.
Um die Robustheit eines Schaufelblattes gegenüber solchen Fremdkörpern zu verbessern, ist es bekannt, Druckeigenspannungen durch externe Maßnahmen wie z. B. Kugelstrahlen oder Festwalzen einzubringen. Beim Kugelstrahlen beispielsweise werden kleine Kugeln, Sandpartikel oder dergleichen mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht, wobei die Oberfläche plastisch verformt und dadurch Druckeigenspannungen erzeugt werden. Nachteilig wird dabei auch die Oberflächenrauheit erhöht. In order to improve the robustness of an airfoil against such foreign bodies, it is known to compress residual stresses by external measures such. B. Shot peening or deep rolling. In shot peening, for example, small balls, sand particles or the like are applied to the surface of the workpiece at high speed, plastically deforming the surface and thereby generating residual compressive stresses. The disadvantage is also the surface roughness increases.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rotor-Schaufelblatt einer Axialströmungsmaschine bereitzustellen, das in einfacher Weise eine Robustheit gegen durch Fremdkörper erzeugte Schäden bereitstellt. It is an object of the present invention to provide a rotor blade of an axial flow machine which readily provides robustness against foreign body generated damage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Rotor-Schaufelblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved by a rotor blade with the features of
Danach sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass die Vorderkante des Schaufelblattes in axialer Richtung von vorne betrachtet S-förmig ausgebildet ist. Es hat sich durch Versuche überraschend ergeben, dass mittels einer solchen Formgebung des Schaufelblattes Druckeigenspannungen in das Schaufelblatt eingebracht werden können. Diese Druckeigenspannungen werden dabei nicht wie beim Stand der Technik durch externe Maßnahmen bereitgestellt, sondern automatisch beim Betrieb der Schaufel induziert. So richtet sich die Schaufel im Betrieb, d. h. beim Rotieren um eine Drehachse, aufgrund der auf die Schaufel dann wirkenden Fliehkräfte auf. Dieses Aufrichten der Schaufel bei Rotation führt bei der erfindungsgemäßen Schaufelgeometrie zur Erzeugung der gewünschten Druckeigenspannungen. Thereafter, the solution according to the invention provides that the front edge of the airfoil is viewed in the axial direction viewed from the front S-shaped. It has surprisingly been found by experiments that by means of such a shaping of the airfoil compressive residual stresses can be introduced into the airfoil. These compressive stresses are not provided by external measures as in the prior art, but automatically induced during operation of the blade. Thus, the blade is in operation, d. H. when rotating about an axis of rotation, due to the centrifugal forces acting on the blade. This raising of the blade during rotation results in the blade geometry according to the invention for generating the desired residual compressive stresses.
Die erfindungsgemäße Lösung beruht somit auf dem Gedanken, durch eine bestimmte Formgebung des Rotor-Schaufelblattes Druckeigenspannungen in das Schaufelblatt einzubringen. The solution according to the invention is thus based on the idea of introducing compressive residual stresses into the airfoil by means of a specific shaping of the rotor airfoil.
Die gewünschten Druckeigenspannungen werden bei der erfindungsgemäßen Lösung insbesondere im Bereich der Vorderkante, angrenzend an die Vorderkante und/oder im Bereich der Druckseite in das Rotor-Schaufelblatt eingebracht, was als vorteilhaft anzusehen ist, da im Fall von Fremdkörpern die Schaufelvorderkante und die Druckseite im besonderen Maße gefährdet sind, durch die Fremdkörper beschädigt zu werden. The desired residual compressive stresses are introduced in the solution according to the invention, in particular in the region of the front edge, adjacent to the leading edge and / or in the region of the pressure side in the rotor blade, which is to be regarded as advantageous, since in the case of foreign bodies, the blade leading edge and the pressure side in particular Dimensions are at risk of being damaged by the foreign body.
Gleichzeitig wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Formgebung der Vorderkante des Schaufelblattes und die dadurch bereitgestellten Druckeigenspannungen es nicht ausschließen, zusätzlich durch externe Maßnahmen wie z. B. Kugelstrahlen in weitergehendem Maße Druckeigenspannungen in die Schaufel einzubringen. At the same time it should be noted that the inventive shape of the leading edge of the airfoil and the compressive residual stresses provided thereby do not preclude it, in addition by external measures such. B. Shot blasting to a greater extent to introduce residual compressive stresses in the blade.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorderkante des Schaufelblattes in axialer Richtung von vorne betrachtet derart S-förmig ausgebildet ist, dass sie in einem radial oberen Bereich zur Druckseite konvex gewölbt und in einem radial unteren Bereich zur Druckseite konkav gewölbt ist. Die Verhältnisse können alternativ auch umgekehrt ausgebildet sein, für welchen Fall die Vorderkante in einem radial oberen Bereich zur Druckseite konkav gewölbt und in einem radial unteren Bereich zur Druckseite konvex gewölbt ist. In der alternativen Ausgestaltung ist das „S“ somit spiegelverkehrt ausgebildet. Auch dies soll unter dem Begriff „S-förmig“ verstanden werden. According to one embodiment of the invention, it is provided that the front edge of the airfoil in the axial direction viewed from the front is S-shaped, that it is convexly curved in a radially upper region to the pressure side and concavely curved in a radially lower region to the pressure side. Alternatively, the conditions may be reversed, for which case the leading edge is concavely curved in a radially upper region to the pressure side and convexly curved in a radially lower region to the pressure side. In the alternative embodiment, the "S" is thus mirror-inverted. Again, this is to be understood by the term "S-shaped".
Im Übergangsbereich zwischen dem konvex gewölbten Bereich und dem konkav gewölbten Bereich der Vorderseite befindet sich notwendigerweise ein Wendepunkt, in dem die Vorderkante ihr Krümmungsverhalten ändert. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Wendepunkt in einer Schaufelblatthöhe befindet, die unterhalb 50 % der Höhe des Schaufelblattes, insbesondere in einem Bereich zwischen 30 % und 50 % der Höhe des Schaufelblattes befindet. Der Wendepunkt befindet sich mit anderen Worten in der unteren Hälfte der Vorderkante des Schaufelblattes. In the transition region between the convexly curved area and the concave area of the front side is necessarily a turning point, in which the leading edge changes its curvature behavior. According to one embodiment of the invention, it is provided that the turning point is located in a blade blade height, which is below 50% of the height of the airfoil, in particular in a range between 30% and 50% of the height of the airfoil. The turning point is in other words in the lower half of the leading edge of the airfoil.
Die Begriffe „unten“ und „oben“ beziehen sich dabei auf die Drehachse, um die das Rotor-Schaufelblatt im Betrieb des Rotors rotiert, oder eine vergleichbare Referenzachse. The terms "bottom" and "top" refer to the axis of rotation about which the rotor blade rotates during operation of the rotor, or a comparable reference axis.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorderkante des Schaufelblattes eingebettet in ein zylindrisches Koordinatensystem betrachtet, das die Koordinaten x, r und θ enthält, wobei x die axiale Richtung, r die radiale Richtung und θ den Winkel in Umfangsrichtung angeben. Der Winkel θ verläuft dabei an der Vorderkante in Abhängigkeit vom Radius S-förmig. According to one embodiment of the invention, the leading edge of the airfoil is considered embedded in a cylindrical coordinate system containing the coordinates x, r and θ, where x indicates the axial direction, r the radial direction and θ the circumferential direction. The angle θ in this case runs on the front edge as a function of the radius S-shaped.
Die axiale Richtung entspricht dabei der Rotationsachse, um die das Rotor-Schaufelblatt im Betrieb der Axialströmungsmaschine, in der das Rotor-Schaufelblatt angeordnet ist, rotiert. Die axiale Richtung ist dabei gleich oder im Wesentlichen gleich der Richtung, in der das Rotor-Schaufelblatt mit Gas umströmt wird. Die radiale Richtung gibt den Abstand zur x-Achse an und erstreckt sich ausgehend x-Achse radial nach außen. Der Winkel θ gibt einen Winkel in Umfangsrichtung gegenüber einer ausgezeichneten Richtung an. Dies entspricht der üblichen Definition eines zylindrischen Koordinatensystems. The axial direction corresponds to the axis of rotation about which the rotor blade blade rotates during operation of the axial flow machine in which the rotor blade is arranged. The axial direction is equal to or substantially equal to the direction in which gas is flowed around the rotor blade. The radial direction indicates the distance to the x-axis and extends radially outward from the x-axis. The angle θ indicates an angle in the circumferential direction against an excellent direction. This corresponds to the usual definition of a cylindrical coordinate system.
Der Wert der Koordinate r gibt dabei im Bereich des Schaufelblattes dessen Höhe an, so dass jeder Punkt auf der Vorderkante des Schaufelblattes einen anderen Radius r aufweist. The value of the coordinate r indicates its height in the region of the blade, so that each point on the front edge of the blade has a different radius r.
Es wird darauf hingewiesen, dass die x-Achse nicht notwendigerweise mit der Rotationsachse des Rotor-Schaufelblattes zusammenfallen muss. Beispielsweise kann alternativ vorgesehen sein, dass die x-Achse in den Bereich des Schaufelfußes gelegt wird, so dass die Werte für r mit der tatsächlichen Höhe der Schaufelblätter übereinstimmen, oder dass die x-Achse in die Mitte des Strömungskanals gelegt wird, in dem die Schaufelblätter rotieren. It should be noted that the x-axis does not necessarily coincide with the axis of rotation of the rotor airfoil. For example, it may alternatively be provided that the x-axis is placed in the area of the blade root, so that the values for r coincide with the actual height of the blades, or that the x-axis is placed in the middle of the flow channel, in which the Rotate blades.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein lokaler Extremwert des Winkels θ zur Saugseite hin im Bereich zwischen 15 % und 40 % der Höhe des Schaufelblattes vorliegt. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein lokaler Extremwert des Winkels θ zur Druckseite hin im Bereich zwischen 50 % und 90 % der Höhe des Schaufelblattes zur Druckseite vorliegt. Ein lokaler Extremwert ist dabei ein Maximum oder ein Minimum. Sofern der Winkel im Uhrzeigersinn als positiv definiert wird, wobei die Betrachtungsrichtung in axialer Richtung von vorne auf die Vorderkante der Schaufel verläuft, liegt beispielsweise ein lokales Maximum des Winkels θ zur Saugseite hin im Bereich zwischen 15 % und 40 % der Höhe des Schaufelblattes und/oder liegt ein lokales Minimum des Winkels θ zur Druckseite hin im Bereich zwischen 50 % und 90 % der Höhe des Schaufelblattes vor. According to one embodiment of the invention, it is provided that a local extreme value of the angle θ to the suction side is present in the range between 15% and 40% of the height of the airfoil. A further embodiment provides that a local extreme value of the angle θ to the pressure side is present in the range between 50% and 90% of the height of the airfoil to the pressure side. A local extreme value is a maximum or a minimum. If the angle is defined as positive in the clockwise direction, with the viewing direction in the axial direction from the front to the front edge of the blade, for example, a local maximum of the angle θ to the suction side is in the range between 15% and 40% of the height of the airfoil and / or is there a local minimum of the angle θ to the pressure side in the range between 50% and 90% of the height of the airfoil.
Die formbedingte Einbringung von Druckeigenspannungen in ein Rotor-Schaufelblatt wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich durch einen weiteren Parameter beeinflusst. Hierbei wird wieder ein zylindrisches Koordinatensystem mit den Koordinaten x, r und θ betrachtet. Der weitere Parameter ist der Winkel θ, nunmehr jedoch bezogen nicht auf die Schaufelvorderkante, sondern auf den Schwerpunkt von Profilschnitten des Schaufelblattes. Dieser Winkel nimmt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mit zunehmendem Radius kontinuierlich zu oder ab. Dabei ist beispielsweise angenommen, dass der Winkel im Uhrzeigersinn als positiv definiert ist, wobei die Betrachtungsrichtung in axialer Richtung von vorne auf die Vorderkante der Schaufel verläuft. The form-related introduction of internal compressive stresses in a rotor blade is additionally influenced by a further parameter according to a further embodiment of the invention. Here again a cylindrical coordinate system with the coordinates x, r and θ is considered. The other parameter is the angle θ, but now based not on the blade leading edge, but on the center of gravity of profile sections of the airfoil. In an advantageous embodiment of the invention, this angle continuously increases or decreases with increasing radius. It is assumed, for example, that the angle is defined as positive in the clockwise direction, the viewing direction extending in the axial direction from the front to the front edge of the blade.
Zu dieser Ausgestaltung wird darauf hingewiesen, dass das Schaufelblatt in Profilschnitte unterteilt werden kann, wobei jeder Profilschnitt ein Profil bei einer definierten radialen Höhe r angibt. Über eine Vielzahl von Profilschnitten, die jeweils einen definierten radialen Abstand Δr aufweisen, kann das Profil insgesamt in seiner dreidimensionalen Form definiert werden. For this embodiment, it is pointed out that the airfoil can be divided into profile sections, each profile section indicating a profile at a defined radial height r. Through a plurality of profile sections, each having a defined radial distance Δr, the profile can be defined in its entirety in its three-dimensional form.
Es hat sich gezeigt, dass bei Betrachtung des Schwerpunktes einzelner Profilschnitte des Schaufelblattes es die Erzeugung von Druckeigenspannungen im Schaufelblatt verstärkt, wenn der Winkel θ bezogen auf den jeweiligen Profilschwerpunkt mit zunehmendem Radius kontinuierlich ansteigt oder abnimmt. Es wird also jeweils der Flächenschwerpunkt der einzelnen Profile betrachtet. Anschaulich bedeutet dieses Merkmal, dass die Verdrehung der Schaufel in radialer Richtung um die Rotationsachse kontinuierlich zu- oder abnimmt. It has been found that, when considering the center of gravity of individual profile sections of the airfoil, it increases the generation of residual compressive stresses in the airfoil when the angle θ increases or decreases continuously with increasing radius with respect to the respective profile center of gravity. It is therefore considered in each case the centroid of the individual profiles. Illustratively, this feature means that the rotation of the blade increases or decreases continuously in the radial direction about the axis of rotation.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Verlauf des Winkels θ bezogen auf den Flächenschwerpunkt der Profilschnitte des Schaufelblattes mit zunehmendem Radius keine Wendepunkte aufweist und im oberen Bereich des Schaufelblattes ein Maximum annimmt. In particular, it can be provided that the profile of the angle θ with respect to the centroid of the profile sections of the airfoil has no inflection points with increasing radius and assumes a maximum in the upper region of the airfoil.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine S-Form nicht nur an der Vorderkante des Schaufelblattes, sondern auch an deren Hinterkante ausgebildet, so dass die Hinterkante des Schaufelblattes in axialer Richtung von hinten betrachtet (entgegen der x-Richtung) ebenfalls S-förmig ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, zusätzlich Druckeigenspannungen in das Schaufelblatt einzubringen, wenn sich dieses durch die Fliehkraft während der Rotation der Schaufel aufrichtet und aufdreht. According to a further embodiment of the invention, an S-shape is formed not only at the leading edge of the airfoil, but also at its trailing edge, so that the trailing edge of the airfoil viewed in the axial direction from the rear (opposite to the x-direction) also formed S-shaped is. This makes it possible to additionally introduce residual compressive stresses in the airfoil when it rises and revolves by the centrifugal force during rotation of the blade.
Dabei ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Hinterkante des Schaufelblattes in axialer Richtung von hinten betrachtet derart S-förmig ausgebildet ist, dass sie in einem radial oberen Bereich zur Druckseite konvex gewölbt und eine einem radial unteren Bereich zur Druckseite konkav gewölbt ist, oder umgekehrt. It is provided in one embodiment that the trailing edge of the airfoil in the axial direction viewed from behind is S-shaped, that it convexly curved in a radially upper region to the pressure side and a radially lower portion is curved concave to the pressure side, or vice versa ,
Ein Rotor, der eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Rotor-Schaufelblättern aufweist, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in integrierter Bauweise ausgeführt. Eine integrierte Bauweise umfasst insbesondere eine BLISK-Bauweise (BLISK = „blade integrated disc“), d. h. eine Bauweise, bei der die einzelnen Rotor-Schaufelblätter einstückig mit der Scheibe, an der sie angeordnet sind, ausgebildet sind. Eine weitere integrierte Bauweise ist die BLING-Bauweise (BLING = „bladed ring“) d. h. eine Bauweise für die Herstellung integral beschaufelter Ringe. Da bei integrierter Bauweise einzelne beschädigte Schaufeln nicht ersetzt werden können, ist die Reparatur eines in integrierter Bauweise hergestellten Rotors aufwendig und teuer. Daher ist die vorliegende Erfindung, die Risse und dergleichen in ihrem Wachstum begrenzt, bei Rotoren mit integrierter Bauweise von besonderer Bedeutung. A rotor having a plurality of rotor blades according to the invention is designed in an advantageous embodiment of the invention in an integrated design. An integrated design comprises in particular a BLISK design (BLISK = "blade integrated disc"), ie a design in which the individual rotor blades are integral with the disc on which they are arranged, are formed. Another integrated design is the BLING construction (bling = "bladed ring"), ie a construction method for the manufacture of integrally bladed rings. Since with integrated construction individual damaged blades can not be replaced, the repair of a rotor manufactured in an integrated design is complicated and expensive. Therefore, the present invention, which limits cracks and the like in their growth, is of particular importance in integrated design rotors.
Die Erfindung betrifft auch einen Verdichter mit einem Rotor mit erfindungsgemäßen Rotor-Schaufelblättern. Der Verdichter ist beispielsweise ein Niederdruckverdichter, ein Mitteldruckverdichter oder ein Hochdruckverdichter eines Strahltriebwerks. Grundsätzlich kann es sich jedoch um einen beliebigen Verdichter, auch eine Fan-Stufe eines Strahltriebwerks handeln. The invention also relates to a compressor with a rotor having rotor blades according to the invention. The compressor is, for example, a low-pressure compressor, a medium-pressure compressor or a high-pressure compressor of a jet engine. In principle, however, it may be any compressor, or a fan stage of a jet engine.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing with reference to several embodiments. Show it:
Die
Das Schaufelblatt
Wie auch der
Die einzelnen in der
Die Schaufel der
Die
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, ist auch die Hinterkante
Durch die S-förmige Gestaltung der Vorderkante
Die
Die
Die
Bei beiden Ausgestaltungen gilt, dass im Bereich des unteren Extremwerts
Die
Es wird somit in der
Es wird darauf hingewiesen, dass in der
Der Winkel θ nimmt mit zunehmendem Radius kontinuierlich zu. Der größte Wert des Winkels θ ergibt sich dabei am oberen Ende der Schaufel (bei einer relativen Höhe von 100 %). Der Winkel θ ist dabei in der
Die
Wie bereits erwähnt, werden durch die Ausgestaltung des Schaufelblattes derart, dass der Verlauf des Winkels θ bezogen auf den Schwerpunkt der Profilschnitte mit zunehmenden Radius kontinuierlich ansteigt oder abnimmt, in verstärktem Maße Druckeigenspannungen in das Rotor-Schaufelblatt eingebracht. As already mentioned, as a result of the design of the blade leaf in such a way that the profile of the angle θ increases or decreases continuously with increasing radius relative to the center of gravity of the profile sections, compressive residual stresses are introduced to a greater extent into the rotor blade airfoil.
Die erhöhte Einbringung von Druckeigenspannungen durch die erfindungsgemäße Lösung ist anhand von Messungen überprüft und verifiziert worden. Die
Die
Die
Die
Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt somit, dass verglichen mit einer Schaufel
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise kann der Verlauf des S-Schlags an der Vorderkante in anderer Weise als in den Figuren dargestellt erfolgen. The invention is not limited in its embodiment to the embodiments shown above, which are to be understood only as examples. For example, the course of the S-beat at the leading edge can be done in a different manner than shown in the figures.
Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen. It should also be understood that the features of each of the described embodiments of the invention may be combined in various combinations. Where ranges are defined, they include all values within those ranges as well as all subranges that fall within an area.
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