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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
folgt die Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Figuren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Obwohl
die Turbinenschaufel B der vorliegende Erfindung eine bewegliche
Schaufel ist, kann die vorliegende Erfindung auch für eine statischen Schaufel
verwendet werden.
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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.