DE10039642C2 - Turbinenblattluftflügel und Turbinenblatt für eine Axialstromturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenblattluftflügel für eine Axialstromturbine, umfassend eine Wölbungsinnenseite, die zwischen einem Vorderrand und einem Hinterrand einen Überdruck erzeugt, und eine Wölbungsaußenseite, die einen Unterdruck erzeugt, sowie ein Turbinenblatt unter Verwendung eines solchen Turbinenblattluftflügels.

Eine übliche Form eines Hinterrandabschnitts in einem herkömmlichen Turbinenblatt S für eine Axialstromturbine ist in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigt. Im einzelnen umfaßt der Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts S, wie in Fig. 8 im Kreis gezeigt, eine bogenförmige Oberfläche St mit einem Hinterrandradius r, eine Wölbungsaußenseite Su, die sich von einem Oberende der bogenförmigen Oberfläche St zu einem Vorderrand LE erstreckt und bei Betrieb der Turbine hauptsächlich einen Unterdruck erzeugt, sowie eine Wölbungsinnenseite SI, die sich von einem Unterende der bogenförmigen Oberfläche St zum Vorderrand LE erstreckt und bei Betrieb der Turbine hauptsächlich einen Überdruck erzeugt. Ein Hinterrand TE des Turbinenblatts S ist als ein Schnittpunkt zwischen der bogenförmigen Oberfläche St und einer Krümmungslinie CL definiert. Daher ist der Hinterrand TE des herkömmlichen Turbinenblatts S an seinem Ende nicht zugespitzt, sondern an der bogenförmigen Oberfläche St als eine Spitze definiert, die den Hinterrandradius r besitzt.

Es sind herkömmliche Erfindungen bekannt, die sich auf die Form eines Hinterrandabschnitts eines Turbinenblatts beziehen, die in den japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften Nr. 57-113906, 7- 332007 und 9-125904 beschrieben sind.

Das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 57-113906 beschriebene Turbinenblatt hat eine Anordnung, bei der der Hinterrandabschnitt zur Seite der Wölbungsaußenseite hin gekrümmt ist, oder eine Anordnung, bei der die Krümmung der Wölbungsaußenseite am Hinterrandabschnitt größer ist als die der Wölbunginnenseite. Diese Anordnung stellt sicher, daß das Entstehen einer Stoßwelle bei Überschallgeschwindigkeit gesteuert wird, um eine Minderung der auf das Turbinenblatt einwirkenden Last und eine Reduktion im Druckverlust zu erzielen.

In dem in der japanischen Patentanmeldung-Offenlegungsschrift Nr. 7- 332007 beschriebenen Turbinenblatt ist an dem Hinterrandabschnitt eine wellenförmige Unebenheit ausgebildet. Diese Anordnung stellt sicher, daß die Strömungsverteilung in radialer Richtung der Turbine leicht gestört wird und der Anteil eines durch Sog bedingten Geschwindigkeitsverlust gesenkt wird, um hierdurch eine Verbesserung der Strömungseigenschaft an jeder Stufe der Turbine zu erzielen.

In dem in der japanischen Patentanmeldung-Offenlegungsschrift Nr. 9- 125904 beschriebenen Turbinenblatt der Dampfturbine ist die Wölbungsaußenseite an einem Hinterrandabschnitt geradlinig eingekerbt. Diese Anordnung stellt sicher, daß eine Reduktion im Druckverlust erzielt wird, während eine Beständigkeit gegen Erosion aufgrund Dampfströmungs-bedingter Vibration oder aufgrund von Fremdstoffen in dem Dampfstrom sichergestellt wird.

Das herkömmlich bekannte Turbinenblatt S der in Fig. 8 gezeigten Axialstromturbine zeigt eine zufriedenstellende Leistung in einem Zustand, in dem die Strömungsgeschwindigkeit entlang einer Blattoberfläche eine hohe Unterschallgeschwindigkeit ist und keine Stoßwelle erzeugt wird.

Das herkömmlich bekannte Turbinenblatt leidet jedoch an einem Problem darin, daß wenn die Strömungsgeschwindigkeit am Hinterrandabschnitt die Schallgeschwindigkeit erreicht, Stoßwellen SWI und SWu von der Wölbungsinnenseite SI und der Wölbungsaußenseite Su an dem Hinterrandabschnitt erzeugt werden, was eine Leistungsreduktion zur Folge hat. Insbesondere stört sich die von der Wölbungsinnenseite SI an Hinterrandabschnitt erzeugte Stoßwelle SWI mit einer Grenzschicht an der Seite der Wölbungsaußenseite Su eines benachbarten Turbinenblatts S, wodurch ein Druckverlust entsteht. Die von der Wölbungsaußenseite Su am Hinterrandabschnitt erzeugte Stoßwelle SWu erzeugt eine Belastung oder eine Verformung einer Blattkaskade der Turbine an einer stromabwärtigen Stufe, was eine Leistungsverbesserung der gesamten Turbine schwierig macht.

PRUST, Herman; HELON, Roland: EFFECT OF TRAILING-EDGE GEOMETRY AND THICKNESS ON THE PERFORMANCE OF CERTAIN TURBINE STATOR BLADING In: NASA Report Nr. TND-6637, Jan. 1972 offenbaren einen Turbinenblattflügel nach der Fig. 5 für eine Axialturbine mit einer Wölbungsinnenseite, die zwischen einem Vorderrand und dem Hinterrand einem Überdruck erzeugt, sowie eine Wölbungsaußenseite, die einen Unterdruck erzeugt. Der Hinterrand ist an seinem Ende nach Fig. 4 zur Wölbungsinnen- oder -außenseite weisend mit 35° zugespitzt, wobei die an das Ende angrenzenden und den Winkel bildenden Oberflächen der Wölbungsinnen- und -außenseite beide nicht gekrümmt sind. Ferner gezeigt sind runde oder trapezförmig abgeschnittene Blattenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Stoßwellen, die von dem Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts der Axialstromturbine erzeugt werden, auf ein Minimum zu drücken, um die Leistung der Turbine zu verbessern.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Turbinenblattluftflügel nach Anspruch 1 oder 2 vorgeschlagen.

Mit der obigen Anordnung ist der Hinterrand des Turbinenluftflügels an seinem Ende zugespitzt; die Wölbungsinnenseite ist an ihrem hinteren Abschnitt mit dem flachen Oberflächenabschnitt versehen, der mit dem Hinterrand verbunden ist; und die Wölbungsaußenseite besitzt den gekrümmten Oberflächenabschnitt, der zumindest an einem dem flachen Oberflächenabschnitt entsprechenden Abschnitt derselben vorgesehen ist. Daher kann verhindert werden, daß an dem Hinterrandabschnitt Gas von der Wölbungsinnenseite zur Wölbungsaußenseite strömt, um eine an der Wölbungsinnenseite am Hinterrandabschnitt erzeugte Stoßwelle zu mäßigen, um hierdurch den Druckverlust auf das Minimum zu drücken.

Mit der obigen Anordnung ist der Schnittwinkel α zwischen der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußenseite am Hinterrand ein rechter Winkel oder ein spitzer Winkel, und daher kann der Krümmungsgrad der Wölbungsaußenseite am Hinterrandabschnitt gesenkt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren, und eine an der Wölbungsaußenseite erzeugte Stoßwelle kann gemäßigt werden, um hierdurch den Druckverlust noch weiter zu senken.

Nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinenblatt für eine Axialstromturbine angegeben, wobei das Turbinenblatt erhalten wird durch Verwendung des Turbinenblattluftflügels nach Anspruch 1 oder 2 an zumindest einem Abschnitt des Turbinenblatts in Spannrichtung.

Mit der obigen Anordnung kann ein Turbinenblattluftflügel nach der vorliegenden Erfindung und ein herkömmlicher Turbinenblattflügel in Kombination miteinander verwendet werden, um hierdurch den Freiheitsgrad bei der Konstruktion des Turbinenblatts zu erhöhen.

Der Modus zur Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nun anhand einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist.

Fig. 1 ist ein vergrößertes Diagramm eines Turbinenblattluftflügels und eines Hinterrandabschnitts desselben für eine Axialstromturbine.

Fig. 2 ist eine Graphik mit Darstellung der Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit entlang einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite, die sich entlang einer Blattsehne erstrecken.

Fig. 3 ist eine Graphik mit Darstellung von Änderungen des Druckverlusts in Bezug auf die Machzahl.

Fig. 4 ist ein Diagramm mit Darstellung des Verhaltens einer Strömung um ein Turbinenblatt in visualisierter Weise.

Fig. 5 ist ein vergrößertes Diagramm eines in Fig. 4 mit 5 bezeichneten Abschnitts.

Fig. 6 ist ein Diagramm mit Darstellung des Verhaltens einer Strömung um ein herkömmlich bekanntes Turbinenblatt in visualisierter Weise.

Fig. 7 ist ein vergrößertes Diagramm eines in Fig. 6 mit 7 bezeichneten Abschnitts.

Fig. 8 ist ein vergrößertes Diagramm eines Turbinenblattluftflügels und eines Hinterrandabschnitts für eine herkömmlich bekannte Axialstromturbine.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen eine Ausführung der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 ist ein vergrößertes Diagramm eines Turbinenblattluftflügels und eines Hinterrandabschnitts desselben für eine Axialstromturbine; Fig. 2 ist eine Graphik mit Darstellung der Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit entlang einer Wölbungsinnenseite und einer Wölbungsaußenseite, die sich entlang einer Blattsehne erstrecken; Fig. 3 ist eine Graphik mit Darstellung von Änderungen des Druckverlusts in Bezug auf die Machzahl; Fig. 4 ist ein Diagramm mit Darstellung des Verhaltens einer Strömung um ein Turbinenblatt in visualisierter Weise; und Fig. 5 ist ein vergrößertes Diagramm eines in Fig. 4 mit 5 bezeichneten Abschnitts.

Die in Fig. 1 gezeigten Turbinenblätter S sind in einer ringförmigen Gaspassage in einer Axialstromturbine angeordnet, um eine Turbinenblattkaskade zu bilden. Das Turbinenblatt S besitzt eine Wölbungsinnenseite SI (eine Überdruckfläche), die mit einer Gasströmung einen Überdruck erzeugt, und eine Wölbungsaußenseite Su (eine Unterdruckfläche), die mit dem Gasstrom einen Unterdruck erzeugt. Die Wölbungsinnenseite SI und die Wölbungsaußenseite Su sind zwischen einem Vorderrand LE am linken Ende und einem Hinterrand TE am rechten Ende vorgesehen. Ein flacher Oberflächenabschnitt 1 ist an der Wölbungsinnenseite SI am Hinterrand des Turbinenblatts S ausgebildet, und der scharf zugespitzte Hinterrand ist an einem Hinterende des flachen Oberflächenabschnitts 1 ausgebildet, wie in Fig. 1 innerhalb eines Kreises vergrößert gezeigt. Andererseits ist am Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts S die Wölbungsaußenseite Su mit dem Hinterrand TE durch einen gekrümmten Oberflächenabschnitt 2 und einen flachen Oberflächenabschnitt 3 verbunden. Der gekrümmte Oberflächenabschnitt 2 umfaßt einen Abschnitt eines Kreises, der einen Radius r hat und mit den Hinterrandabschnitt beschrieben wird, sowie einen flachen Oberflächenabschnitt 3, der mit dem gekrümmten Oberflächenabschnitt 2 umschrieben wird. Ein Schnittwinkel α, der den geraden Abschnitt 1 der Wölbungsinnenseite SI und der gerade Abschnitt 3 der Wölbungsaußenseite Su bildet, ist auf einen rechten Winkel gesetzt. Der gekrümmte Oberflächenabschnitt 2 der Wölbungsaußenseite Su ist derart angeordnet, daß er in einem relativ schmalen Bereich aufgenommen ist, nämlich in einem Bereich des flachen Oberflächenabschnitts 1 der Wölbungsinnenseite SI. Daher entspricht der Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts S nach der in Fig. 1 gezeigten Ausführung einem Hinterrandabschnitt (siehe Fig. 8) des herkömmlichen Turbinenblatts S, zu dem ein schräg schraffierter Abschnitt hinzugefügt ist.

Wenn aus dem vorstehenden die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases am Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts S bei Betrieb der Axialstromturbine Überschallgeschwindigkeit erreicht, werden eine Stoßwelle SWI, die sich von dem Hinterrandabschnitt schräg nach hinten und unten erstreckt, sowie eine Stoßwelle SWu, die sich schräg nach hinten und oben erstreckt, erzeugt. Die Zustände der Stoßwellen SWI und SWu, die am Hinterrandabschnitt des Turbinenblatts S nach der vorliegenden Ausführung erzeugt werden, sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Zustände von Stoßwellen SWI und SWu, die an einem Hinterrandabschnitt des herkömmlichen Turbinenblatts S (siehe Fig. 8) erzeugt werden, sind in den Fig. 6 und 7 gezeigt.

Die Stoßwelle SWI, die sich von dem Hinterrandabschnitt schräg nach hinten und unten erstreckt, könnte gegen die Wölbungsaußenseite Su des Turbinenblatts S, das der Wölbungsinnenseite SI benachbart ist, kollidieren, wodurch eine Grenzschicht, die entlang der Wölbungsaußenseite Su gebildet wird, und die Stoßwelle SWI miteinander in Wechselwirkung kommen könnten, um einen Druckverlust zu erzeugen. Jedoch besteht die Möglichkeit, die Gasströmung von der Wölbungsinnenseite SI durch den Hinterrand TE zu der Wölbungsaußenseite Su zu unterbinden, um das Erzeugen der Stoßwelle SWI, die sich schräg nach hinten und unten erstreckt, zu mäßigen, um hierdurch den Druckverlust auf das Minimum zu drücken, weil der mit dem Hinterrand TE verbundene flache Oberflächenabschnitt 1 an dem hinteren Abschnitt der Wölbungsinnenseite SI des Turbinenblatts S gebildet ist und der Hinterrand TE in eine zugespitzte Form geformt ist, die in der vorliegenden Ausführung einen extrem kleinen Krümmungsradius hat.

Auch an der Wölbungsaußenseite Su des Turbinenblatts S wird die Strömungsgeschwindigkeit des Gases reduziert, um die Erzeugung der Stoßwelle SWu zu mäßigen, die sich schräg nach hinten und oben erstreckt. Im Ergebnis ist es möglich, die Entstehung einer Belastung und einer Verformung in einer Turbinenblattkaskade an der nachfolgenden Stufe durch die Stoßwelle SWu zu verhindern, was zu einer Leitungsverbesserung der gesamten Turbine führt.

Die Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Wölbungsinnenseite und der Wölbungsaußenseite, die sich entlang einer Blattsehne erstrecken, sind in Fig. 2 gezeigt. Wie aus einem Vergleich des herkömmlichen Turbinenblatts S und des Turbinenblatts nach der vorliegenden Ausführung ersichtlich, wird angenommen, daß eine Spitze der Strömungsgeschwindigkeit an einer Stelle, die dem Hinterrand TE in der vorliegenden Ausführung extrem nahe ist, abnimmt, und die Stoßwelle SWI, die sich von dem Hinterrandabschnitt schräg nach hinten und unten erstreckt, gemäßigt wird, im Vergleich zu jener in dem herkömmlichen Turbinenblatt. An der Wölbungsaußenseite Su des Turbinenblatts S wird angenommen, daß eine Spitze der Strömungsgeschwindigkeit an einer Stelle, die sich ein wenig vor dem Hinterrand TE befindet, reduziert wird, und die Stoßwelle SWu, die sich von dem Hinterrandabschnitt schräg nach hinten und oben erstreckt, gemäßigt wird, im Vergleich zu jener in dem herkömmlichen Turbinenblatt.

Ein Druckverlust, der sich in Abhängigkeit von der Machzahl ändert, ist in Fig. 3 gezeigt. Wie aus dem Vergleich des herkömmlichen Turbinenblatts S mit dem Turbinenblatt nach der vorliegenden Ausführung ersichtlich, ist der Druckverlust in dem Turbinenblatt nach der vorliegenden Ausführung bei einer Machzahl von 1,0 auf 0,935 beschränkt und um 6,5% reduziert, wenn der Druckverlust in dem herkömmlichen Turbinenblatt S bei einer Machzahl von 1,0 als 1,0 definiert ist. Dieser Minderungseffekt des Druckverlusts wird im wesentlichen ähnlich in einem breiten Bereich der Machzahlen von 0,6 bis 1,4 erreicht.

Die Form des hinteren Abschnitts des Turbinenblatts S nach der vorliegenden Erfindung kann in der folgenden Weise geändert werden: In der Form des hinteren Abschnitts des Turbinenblatts S nach der ersten Ausführung ist der Schnittwinkel α zwischen dem flachen Oberflächenabschnitt 1 der Wölbungsinnenseite SI und dem flachen Oberflächenabschnitt 3 der Wölbungsaußenseite Su am Hinterrand TE auf einen rechten Winkel gesetzt. Alternativ könnte der Schnittwinkel α zwischen dem flachen Oberflächenabschnitt 1 der Wölbungsinnenseite SI und einem flachen Oberflächenabschnitt 4 der Wölbungsaußenseite Su auf einen spitzen Winkel gesetzt werden (in einer zweiten Ausführung). Weiter alternativ könnte, anstelle der Kombination des gekrümmten Oberflächenabschnitts 2 und des flachen Oberflächenabschnitts 4 der Wölbungsaußenseite Su (in der zweiten Ausführung), ein gekrümmter Oberflächenabschnitt 5 ausgebildet werden, der eine Bogenflächentangente zu dem gekrümmten Oberflächenabschnitt 2 aufweist, so daß ein Hinterende des gekrümmten Oberflächenabschnitts 5 so angeordnet werden könnte, daß er ein Hinterende des flachen Oberflächenabschnitts 1 der Wölbungsinnenseite SI am Hinterrand TE schneidet (in einer dritten Ausführung). In diesem Fall wird der Schnittwinkel α als ein Winkel definiert, der durch den flachen Oberflächenabschnitt 1 und eine Linie gebildet wird, die sich durch den Hinterrand TE tangential zu einem gekrümmten Oberflächenabschnitt 5 erstreckt. Dieser Schnittwinkel α ist ein spitzer Winkel.

Nach der zweiten Ausführung ist die Länge des gekrümmten Oberflächenabschnitts 2 kürzer als die Länge des gekrümmten Oberflächenabschnitts 2 in der ersten Ausführung, und nach der dritten Ausführung ist der Krümmungsradius des gekrümmten Oberflächenabschnitts 5 größer als jener des gekrümmten Oberflächenabschnitts 2 in der ersten Ausführung. Daher ist es möglich, eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit am hinteren Abschnitt der Wölbungsaußenseite Su des Turbinenblatts S zu vermeiden, und ferner die Stoßwelle SWu, die sich von dem Hinterrandabschnitt schräg nach hinten und oben erstreckt, effektiv zu vermeiden. Somit kann nach der zweiten und dritten Ausführung ein Effekt zur Minderung des Druckverlusts um etwa 10% erwartet werden, was mehr ist als in der ersten Ausführung.

Obwohl die Ausführungen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf oben beschriebenen Ausführungen beschränkt ist und zahlreiche konstruktive Modifikationen erfolgen können, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.

Beispielsweise ist jeder gekrümmter Oberflächenabschnitt 2 in jeder der ersten und zweiten Ausführungen und der gekrümmte Oberflächenabschnitt 5 in der dritten Ausführung als die bogenförmige Oberfläche ausgebildet, aber es ist nicht notwendigerweise die bogenförmige Oberfläche. Die Position des gekrümmten Oberflächenabschnitts 2,5 in Richtung der Sehne ist nicht auf jene in den Ausführungen beschränkt, und der gekrümmte Oberflächenabschnitt kann zumindest an einem Abschnitt der Wölbungsaußenseite Su ausgebildet sein, der dem flachen Oberflächenabschnitt 1 der Wölbungsinnenseite SI entspricht.

Ein Turbinenblatt S nach der vorliegenden Erfindung kann bei einem Statorblatt und einem Rotorblatt angewendet werden.

Der Turbinenblattluftflügel nach der vorliegenden Erfindung kann über einen weiten Bereich verwendet werden oder nur in einem Teilbereich des Turbinenblatts S in Spannrichtung. Anders gesagt, der Turbinenblattluftflügel nach der vorliegenden Erfindung (z. B. der in Fig. 1 gezeigte Blattluftflügel) könnte in einem Abschnitt des Turbinenblatts S in der Spannrichtung verwendet werden, und in dem verbleibenden Abschnitt könnte ein anderer Turbinenblattluftflügel als nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Somit kann der Turbinenblattluftflügel nach der vorliegenden Ausführung und der herkömmliche Turbinenblattluftflügel in Kombination geeignet verwendet werden, um hierdurch den Freiheitsgrad bei der Konstruktion des Turbinenblatts zu erhöhen.

Claims (3)

1. Turbinenblattluftflügel für eine Axialstromturbine, umfassend eine Wölbungsinnenseite (SI), die zwischen einem Vorderrand (LE) und einem Hinterrand (TE) einen Überdruck erzeugt, sowie eine Wölbungsaußenseite (Su), die einen Unterdruck erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungsinnenseite (SI) und die Wölbungsaußenseite (Su) an den Hinterrand (TE) reichende Abschnitte aufweisen, wobei der Abschnitt der Wölbungsinnenseite (SI) aus einem ersten flachen Oberflächenabschnitt (1) gebildet ist und der Abschnitt der Wölbungsaußenseite (Su) aus einem gekrümmten Oberflächenabschnitt (2) mit vorbestimmter Krümmung sowie einem zweiten flachen Oberflächenabschnitt (3) gebildet ist, wobei der erste flache Oberflächenabschnitt (1) und der zweite flache Oberflächenabschnitt (3) am Hinterrand (TE) einen rechten Winkel (α) bilden.

2. Turbinenblattluftflügel für eine Axialstromturbine, umfassend eine Wölbungsinnenseite (SI), die zwischen einem Vorderrand (LE) und einem Hinterrand (TE) einen Überdruck erzeugt, sowie eine Wölbungsaußenseite (Su), die einen Unterdruck erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbungsinnenseite (SI) und die Wölbungsaußenseite (Su) an den Hinterrand (TE) reichende Abschnitte aufweisen, wobei der Abschnitt der Wölbungsinnenseite (SI) aus einem ersten flachen Oberflächenabschnitt (1) gebildet ist und der Abschnitt der Wölbungsaußenseite (Su) aus einem gekrümmten Oberflächenabschnitt (5) mit vorbestimmter Krümmung gebildet ist.

3. Turbinenblatt für eine Axialstromturbine, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenblatt (S) durch Verwendung des Turbinenblattluftflügels nach Anspruch 1 oder 2 an zumindest einem Abschnitt des Turbinenblatts in Spannrichtung erhalten wird.