DE102004009696B3 - Turbinen-Flügelprofil für Axial-Turbine und Turbinenschaufel für Axial-Turbine - Google Patents

Turbinen-Flügelprofil für Axial-Turbine und Turbinenschaufel für Axial-Turbine Download PDF

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Abstract

Dadurch, dass auf der Innenwölbung 13 einer Turbinenschaufel B für eine Axial-Turbine hinter der 80%-Position ein erster Krümmungswendepunkt IP1, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, und hinter diesem ersten Krümmungswendepunkt IP1 eine Vertiefung 15, die von einem zweiten Krümmungswendepunkt IP2, an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und einem dritten Krümmungswendepunkt IP3, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, begrenzt wird, angelegt werden, wird es ermöglicht, dass durch das Zusammenwirken des ersten Krümmungswendepunkts IP1 und der Vertiefung 15 eine Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung 13 im Bereich der Hinterkante 12 entsteht, gestreut wird und gleichzeitig die Einzelschockwellen geschwächt werden, so dass der Energieverlust, der entsteht, wenn die Schockwellen mit der Grenzschicht der Außenwölbung 14 der benachbarten Turbinenschaufel B kollidieren, reduziert und die Leistung der Turbine entsprechend gesteigert werden kann.

Description

  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine, das zwischen Vorder- und Hinterkante eine Innenwölbung, an der ein positiver Druck entsteht, und eine Außenwölbung, an der ein negativer Druck entsteht, besitzt, und um eine Turbinenschaufel für eine Axial-Turbine mit diesem Turbinen-Flügelprofil .
  • Ein in der japanischen Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnummer 2002-138801 beschriebenes Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine versucht die Turbinenleistung durch die Minimierung der Auswirkung der Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung an der Hinterkante entsteht, zu steigern. Bei diesem Flügelprofil befindet sich hinter der 80%-Position ein Krümmungswendepunkt der Innenwölbung, an dem die Krümmung von einer Krümmung, die strömungsaufwärts konkav ist, in eine Krümmung übergeht, die strömungsabwärts konvex ist. Dieser Krümmungswendepunkt wirkt sich so aus, dass die Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung an der Hinterkante entsteht, in zwei Schockwellen gestreut wird und die Einzelschockwellen geschwächt werden. Dadurch wird der Energieverlust reduziert, der entsteht, wenn die Schockwellen mit der Grenzschicht der Außenwölbung der benachbarten Turbinenschaufel kollidieren.
  • Der Annmelder des vorliegenden Patents hat nun herausgefunden, dass durch die Ausgestaltung des Flügelprofils hinter dem oben genannten Krümmungswendepunkt, der in der oben genannten Patentveröffentlichung mit der Offenlegungsnummer 2002-138801 beschrieben ist, die oben genannten gestreuten Schockwellen weiter geschwächt werden können und der Energieverlust weiter reduziert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist angesichts der oben geschilderten Situation entstanden und hat den Zweck, die Turbinenleistung zu steigern, indem die Auswirkung der Schockwelle minimiert wird, die bei einer Axial-Turbine auf der Seite der Turbinenschaufel-Innenwölbung an der Hinterkante entsteht.
  • Um den angegebenen Zweck zu erreichen, wird als erste Eigenschaft der vorliegenden Erfindung ein Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine vorgeschlagen, das zwischen Vorder- und Hinterkante eine Innenwölbung, an der ein positiver Druck entsteht, und eine Außenwölbung, an der ein negativer Druck entsteht, besitzt, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Innenwölbung auf einer Skala, auf der 0% die Position der Vorderkante und 100% die Position der Hinterkante bezeichnen, hinter der 80%-Position einen ersten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, und hinter diesem ersten Krümmungswendepunkt mindestens eine Vertiefung besitzt, die von einem zweiten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und einem dritten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, begrenzt wird.
  • Der oben genannte Aufbau, bei dem die Innenwölbung hinter der 80%-Position einen ersten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, und hinter diesem ersten Krümmungswendepunkt mindestens eine Vertiefung besitzt, die von einem zweiten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und einem dritten Krümmungswendepunkt, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, begrenzt wird, ermöglicht, dass durch das Zusammenwirken des ersten Krümmungswendepunkts und der Vertiefung eine Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung an der Hinterkante entsteht, gestreut wird und die Einzelschockwellen geschwächt werden, so dass der auf die Schockwellen zurückzuführende Energieverlust reduziert und die Leistung der Turbine weiter gesteigert werden kann.
  • Als zweite Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird ein Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zu der oben genannten ersten Eigenschaft der Abstand zwischen der Tangente, die die Innenwölbung vor und hinter der genannten Vertiefung berührt, und dem Boden der Vertiefung, der sich dort befindet, wo die Vertiefung am weitesten von der Tangente entfernt ist, kleiner gleich 5% des Krümmungsdurchmessers der Hinterkante ist.
  • Der oben genannte Aufbau, bei dem der Abstand zwischen der Tangente, die die Innenwölbung vor und hinter der genannten Vertiefung berührt, und dem Boden der Vertiefung kleiner gleich 5% des Krümmungsdurchmessers der Hinterkante ist, ermöglicht, dass die Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung im Bereich der Hinterkante entsteht, wirksam geschwächt wird.
  • Als dritte Eigenschaft der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel für eine Axial-Turbine vorgeschlagen, bei der für mindestens einen Teil der Schaufelspanne ein Turbinen-Flügelprofil mit der oben genannten ersten oder oben genannten zweiten Eigenschaft verwendet wird.
  • Der oben genannte Aufbau ermöglicht es, das Turbinen-Flügelprofil der vorliegenden Erfindung mit einem existierenden Turbinen-Flügelprofil zu kombinieren, und erhöht so die Konstruktionsfreiheit für eine Turbinenschaufel.
  • Der oben genannte Zweck der vorliegenden Erfindung sowie ihre sonstigen Ziele, Eigenschaften und Vorteile können durch die Erläuterung eines geeigneten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren verdeutlicht werden.
  • Es folgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Figuren.
  • 1 zeigt das Flügelprofil der Turbinenschaufel eines Ausführungsbeispiels. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung, wie eine Schockwelle im Schaufelgitter eines Vergleichsbeispiels entsteht. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung, wie eine Schockwelle im Schaufelgitter des Ausführungsbeispiels entsteht. 4 zeigt ein Diagramm mit den Abströmungs-Charakteristiken des Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels für die Position 30% strömungsabwärts hinter dem Schaufelgitter. 5 zeigt ein Diagramm mit der Geschwindigkeitsverteilung der Strömung in der Nähe der Hinterkante des Vergleichsbeispiels. 6 zeigt ein Diagramm mit der Geschwindigkeitsverteilung der Strömung in der Nähe der Hinterkante des Ausführungsbeispiels.
  • Die in 1 gezeigte Turbinenschaufel B ist Teil des Schaufelgitters in einem ringförmigen Gasströmungskanal in einer Axial-Turbine. Ihr Flügelprofil weist zwischen der Vorderkante 11 auf der linken Seite und der Hinterkante 12 auf der rechten Seite eine Innenwölbung 13, an der durch die Gasströmung ein positiver Druck entsteht, (Seite positiven Drucks) und eine Außenwölbung 14, an der durch die Gasströmung ein negativer Druck entsteht, (Seite negativen Drucks) auf. Als Koordinate für eine Position auf der Innenwölbung 13 der Turbinenschaufel B wird der in Prozent ausgedrückte Teil der Flügelsehnenlänge verwendet, wobei die Position 0% für die Vorderkante 11 und die Position 100% für die Hinterkante 12 stehen. Hinten an der Innenwölbung 13, genauer gesagt hinter der 80%-Position befindet sich ein erster Krümmungswendepunkt IP1, an dem der Krümmungswert von negativ (Krümmung in Richtung des Flügelprofil-Inneren konvex) nach positiv (Krümmung in Richtung des Flügelprofil-Äußeren konvex) wechselt.
  • Wie der vergrößerten Darstellung in 1 zu entnehmen ist, befinden sich auf der Innenwölbung 13 hinter dem genannten ersten Krümmungswendepunkt IP1 in der Nähe der Hinterkante 12 ein zweiter Krümmungswendepunkt IP2, an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und hinter diesem zweiten Krümmungswendepunkt IP2 ein dritter Krümmungswendepunkt IP3, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt. Der Teil, der von dem vorne befindlichen zweiten Krümmungswendepunkt IP2 und dem hinten befindlichen dritten Krümmungswendepunkt IP3 begrenzt wird, hat eine negative, zum Flügelprofil-Inneren hin hohle Krümmung. Dieser Teil wird als Vertiefung 15 bezeichnet.
  • Der Abstand zwischen einer Tangente t, die die Innenwölbung 13 vor der Vertiefung 15 in einem Punkt A und hinter der Vertiefung 15 in einem Punkt B berührt, und einem Punkt C, der sich dort befindet, wo die Vertiefung am weitesten von der Tangente t entfernt ist, und der den Boden der Vertiefung 15 darstellt, macht z. B. 3% des Krümmungsdurchmessers d der Hinterkante 12 aus. Er muss aber nicht 3% des Krümmungsdurchmessers d der Hinterkante 12 betragen. Es reicht aus, dass er kleiner gleich 5% ist, damit sich die später zu erläuternde Wirkung einstellt, die zur Reduktion des Energieverlusts führt.
  • 2 zeigt ein Schaufelgitter mit der Turbinenschaufel B eines Vergleichsbeispiels, die auf der Innenwölbung 13 keinen Krümmungswendepunkt hinter der 80%-Position besitzt. Bei diesem Vergleichsbeispiel entstehen an der Hinterkante 12 zwei starke Schockwellen 16 und 17 auf der Seite mit der Innenwölbung 13 bzw. der Außenwölbung 14. Das Problem dabei ist der große Energieverlust, der dadurch entsteht, dass die Schockwelle 16 auf der Seite der Innenwölbung 13 mit der Grenzschicht an der Außenwölbung 14 der benachbarten Turbinenschaufel B kollidiert.
  • 3 zeigt als Gegensatz dazu ein Schaufelgitter mit der Turbinenschaufel B des Ausführungsbeispiels, die auf der Innenwölbung 13 hinter der 80%-Position einen ersten, zweiten und dritten Krümmungswendepunkt IP1, IP2 und IP3 besitzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel entstehen an der Hinterkante 12 zwei Schockwellen 18 und 19 auf der Seite der Innenwölbung 13 und eine Schockwelle 20 auf der Seite des Außenwölbung 14. In den 2 und 3 wird die Stärke einer Schockwelle durch die Dicke der sie darstellenden Linie ausgedrückt. Zwischen den Stärken der Schockwelle 20 des Ausführungsbeispiels und der entsprechenden Schockwelle 17 des Vergleichsbeispiels (siehe 2) auf der Seite des Außenwölbung 14 besteht kein auffallender Unterschied, während die Schockwelle des Ausführungsbeispiels auf der Seite der Innenwölbung 13 gegenüber der entsprechenden Schockwelle 16 des Vergleichsbeispiels (siehe 2) in zwei Schockwellen 18 und 19 mit wesentlich geringeren Stärken aufgeteilt ist.
  • Dadurch, dass die Schockwelle, die mit der Grenzschicht der Außenwölbung 14 der benachbarten Turbinenschaufel B kollidiert, wie oben beschrieben, in zwei Schockwellen 18 und 19 aufgeteilt wird und diese selbst geschwächt werden, kann der Energieverlust, der durch die Kollision mit der Grenzschicht der Außenwölbung 14 der Turbinenschaufel B entsteht, bei dem Ausführungsbeispiel gegenüber dem Vergleichsbeispiel drastisch reduziert werden.
  • 4 zeigt das Verhältnis zwischen den Werten des Gesamtdrucks am Ausgang und am Eingang des Schaufelgitters für die Ausgangs-Machzahl 1,2 in Abhängigkeit von der Position in der Schaufelteilungsrichtung des Schaufelgitters. In dieser Darstellung ist der Druckverlust umso kleiner ist, je näher das Verhältnis zwischen dem Gesamtdruck am Ausgang und Eingang dem Wert 1 ist. Der Bereich a stellt den Hauptströmungsanteil dar. Es ist ersichtlich, dass der Druckverlust des Ausführungsbeispiels in diesem Bereich geringer als der des Vergleichsbeispiels ist. Der Bereich b stellt den sich von der Hinterkante 12 erstreckenden Abströmungsanteil dar. Daraus, dass die Abströmungsbreite W1 des Ausführungsbeispiels kleiner als die Abströmungsbreite W2 des Vergleichsbeispiels ist, wird ersichtlich, dass der Druckverlust des Ausführungsbeispiels kleiner als der des Vergleichsbeispiel ist.
  • Übrigens kann die Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung 13 entsteht, auch mit einem Flügelprofil, das hinter der 80%-Position auf der Innenwölbung 13 nur einen ersten Krümmungswendepunkt IP1 und keinen zweiten und dritten Krümmungswendepunkt IP2 und IP3 (und damit auch keine Vertiefung 15) besitzt, in zwei Schockwellen aufgeteilt werden. Aber diese Schockwellen sind stärker als bei dem Flügelprofil mit der Vertiefung 15 der vorliegenden Erfindung, so dass die Reduktion des Energieverlusts beschränkt ist.
  • Die 5 und 6 zeigen je ein Diagramm mit den Verteilungen der Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der Innenwölbung 13 und der Außenwölbung 14 in der Nähe der Hinterkante 12 (hinter der 90%-Position) des Flügelprofils. 5 gehört zu dem Vergleichsbeispiel und 6 zu dem Ausführungsbeispiel.
  • Zwischen dem Flügelprofil des Vergleichsbeispiels und dem des Ausführungsbeispiels ist ein deutlicher Unterschied der (mit einer durchgezogenen Linie dargestellten) Geschwindigkeitsverteilungen auf der Seite der Innenwölbung 13 erkennbar. Beim Flügelprofil des Vergleichsbeispiels hat die Strömungsgeschwindigkeit ein einziges Maximum p1 bei ungefähr 97%. Die Machzahl ist hoch und erreicht fast 1,6. Das lässt sich darauf zurückführen, dass die Strömungsgeschwindigkeit hinter 95% ab der Position, an der die Machzahl größer 1,0 wird, wegen der Vergrößerung des Strömungswegs monoton zunimmt und dann ein einziges Maximum p1 erreicht, weil die Innenwölbung 13 des Flügelprofils des Vergleichsbeispiels keinen Krümmungswendepunkt besitzt und eine durchgehend negative (in Richtung des Flügelprofil-Inneren konvexe) Krümmung aufweist.
  • Dagegen gibt es beim Flügelprofil des Ausführungsbeispiels zwei Maxima p2 und p3 der Strömungsgeschwindigkeit ungefähr in der Nähe der 95%- bzw. 97%-Position. Die Machzahl des vorderen Maximum p2 beträgt knapp 1,2 und die des hinteren Maximum p3 knapp 1,4. Beide Zahlen sind kleiner als die Zahl des oben beschriebenen Vergleichsbeispiels. Der Grund für die vorübergehende Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit hinter dem vorderen Maximum p2 liegt vermutlich darin, dass durch die nach Innen gerichtete Krümmungsfläche der Vertiefung 15 eine Kompressionswelle und dadurch eine schwache Schockwelle 18 entsteht.
  • Indem die Vertiefung 15 realisiert wird, können wie oben beschrieben zwei Maxima p2 und p3 in der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe des Hinterkante 12 auf der Seite der Innenwölbung 13 erzeugt und die Machzahlen der Maxima von knapp 1,6 im Vergleichsbeispiel auf knapp 1,4 bzw. knapp 1,2 im Ausführungsbeispiel reduziert werden. Dadurch können wiederum zwei schwache Schockwellen 18 und 19, die sich von der Hinter kante 12 in Richtung der Innenwölbung 13 hinziehen, erzeugt werden, womit schließlich vermieden werden kann, dass durch die Kollision mit der Grenzschicht der Außenwölbung 14 der benachbarten Turbinenschaufel B ein großer Energieverlust entsteht.
  • Oben stehend wurde ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Verschiedene Konstruktionsvarianten sind möglich, so lange man sich im Rahmen des Hauptinhalts der vorliegenden Erfindung befindet.
  • Zum Beispiel kann das Flügelprofil der vorliegenden Erfindung sowohl für die gesamte Spanne der Turbinenschaufel B als auch für nur einen Teil in Spannrichtung verwendet werden. Das heißt, man kann für einen Teil der Turbinenschaufel B in Spannrichtung das Flügelprofil der vorliegenden Erfindung und für die restlichen Teile ein anderes Flügelprofil verwenden. Dadurch, dass das Flügelprofil der vorliegenden Erfindung und ein existierendes Flügelprofil auf diese Weise in einer passenden Kombination verwendet werden, kann die Konstruktionsfreiheit der Turbinenschaufel B gesteigert werden.
  • Außerdem können hinter dem ersten Krümmungswendepunkt IP1 statt der einen Vertiefung 15 wie im Ausführungsbeispiel mehr als eine Vertiefung vorhanden sein. Das heißt, hinter dem ersten Krümmungswendepunkt IP1 kann es den zweiten und dritten Krümmungswendepunkt IP2 und IP3 in mehr als einer Kombination geben.
  • Obwohl die Turbinenschaufel B der vorliegende Erfindung eine bewegliche Schaufel ist, kann die vorliegende Erfindung auch für eine statischen Schaufel verwendet werden.
  • Dadurch, dass auf der Innenwölbung 13 einer Turbinenschaufel B für eine Axial-Turbine hinter der 80%-Position ein erster Krümmungswendepunkt IP1, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, und hinter diesem ersten Krümmungswendepunkt IP1 eine Vertiefung 15, die von einem zweiten Krümmungswendepunkt IP2, an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und einem dritten Krümmungswendepunkt IP3, an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, begrenzt wird, angelegt werden, wird es ermöglicht, dass durch das Zusammenwirken des ersten Krümmungswendepunkts IP1 und der Vertiefung 15 eine Schockwelle, die auf der Seite der Innenwölbung 13 im Bereich der Hinterkante 12 entsteht, gestreut wird und gleichzeitig die Einzelschockwellen geschwächt werden, so dass der Energieverlust, der entsteht, wenn die Schockwellen mit der Grenzschicht der Außenwölbung 14 der benachbarten Turbinenschaufel B kollidieren, reduziert und die Leistung der Turbine entsprechend gesteigert werden kann.

Claims (3)

  1. Ein Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine, das zwischen einer Vorderkante (11) und einer Hinterkante (12) eine Innenwölbung (13), an der ein positiver Druck entsteht, und eine Außenwölbung (14), an der ein negativer Druck entsteht, besitzt, dadurch ge kennzeichnet, dass die Innenwölbung auf einer Skala, auf der 0% die Position der Vorderkante (11) und 100% die Position der Hinterkante (12) bezeichnen, hinter der 80%-Position einen ersten Krümmungswendepunkt (IP1), an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, und hinter diesem ersten Krümmungswendepunkt (IP1) mindestens eine Vertiefung (15) besitzt, die von einem zweiten Krümmungswendepunkt (IP2), an dem der Krümmungswert von positiv nach negativ wechselt, und einem dritten Krümmungswendepunkt (IP3), an dem der Krümmungswert von negativ nach positiv wechselt, begrenzt wird.
  2. Ein Turbinen-Flügelprofil für eine Axial-Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Tangente (t), die die Innenwölbung (13) vor und hinter der genannten Vertiefung (15) berührt, und dem Boden der Vertiefung (15), der sich dort befindet, wo die Vertiefung am weitesten von der Tangente entfernt ist, kleiner gleich 5% des Krümmungsdurchmessers (d) der Hinterkante (12) ist.
  3. Eine Turbinenschaufel für eine Axial-Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Teil der Schaufelspanne ein Turbinen-Flügelprofil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 verwendet wird.
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