DE102007002518B3

DE102007002518B3 - Schaufel einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102007002518B3
Application number: DE102007002518A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Büchler
Original assignee: Air Fertigung Technologie GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo Advanced Propeller Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: KR20080067986A; US20090238692A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine - mit einem Schaufelblatt; - die mediumberührte Außenfläche des Schaufelblattes ist aus einer elastischen Hülle gebildet, die eine Tragstruktur umschließt; - zwischen der elastischen Hülle und der Tragstruktur befindet sich ein fließfähiges Aufblasmedium; - es sind Maßnahmen getroffen, um ein Überströmen des Aufblas-Mediums von der einen Seite des Schaufelblattes zur anderen Seite zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine. Dabei kommen jegliche Arten von Strömungsmaschinen in Betracht, beispielsweise Turbinen, Pumpen, Antriebsrotoren als Bestandteile von Schiffsmaschinen. Die Schaufeln solcher Maschinen dienen der Drehmomentübertragung. Entweder wirken Kräfte von einem strömenden Medium auf das Schaufelblatt, wie beispielsweise bei einer Wasserturbine, oder es werden vom Schaufelblatt Kräfte auf das strömende Medium ausgeübt, wie beispielsweise bei Schiffspropellern.
GB 1 345 835 beschreibt eine Schaufel für eine Strömungsmaschine. Die Schaufel ist aus flexiblen Wänden aufgebaut und aufblasbar.
GB 1 404 665 zeigt eine Schaufel für eine Gasturbine. Der angeströmte Bereich der Schaufel ist aus einer flexiblen Wand gebildet, die einen Hohlraum umfließt. In den Hohlraum ist ein Druckmedium einführbar, so dass sich die flexible Wand verformt.
Die Gestalt einer Schaufel ist maßgeblich für den Wirkungsgrad der Drehmomentübertragung. Das Rotorblatt wird derart geformt, dass es ganz bestimmte Profilschnitte aufweist, angepasst auf die Betriebsbedingungen der Strömungsmaschine. Die Betriebsbedingungen ändern sich jedoch, so dass die gewählten Profilschnittformen der Schaufeln nur einen Kompromiss darstellen. Die Umströmung der einzelnen Schaufeln ist nur bei einem bestimmten Betriebszustand optimal. Ändern sich die Parameter eines solchen Betriebszustandes – Durchsatz, Geschwindigkeit des strömenden Mediums usw. -, so wirkt sich dies nachteilig auf den Wirkungsgrad der Strömungsmaschine sowie auf die Kavitationsneigung nachteilig aus. Es gibt Schiffspropeller, die mit symmetrisch gestalteten Propellerblättern ausgestattet sind. Damit wird ein Kompromiss für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt angestrebt. Dieser Kompromiss ist jedoch nicht optimal, da sich Wirkungsgradverluste von bis zu 25% ergeben, verglichen mit einem Propeller, dessen Blätter für eine bestimmte Schubrichtung optimiert sind. Es gibt Verstellpropeller, bei denen das Einzelblatt um die Längsachse des Schaufelfußes verschwenkbar ist. Dies bringt zwar eine gewisse Verbesserung. Jedoch lassen sich damit nicht die Vorteile einer optimierten Geometrie des Schaufelblattes erzielen. Außerdem ist dies eine teure Lösung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine derart zu gestalten, dass es auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen weitgehend optimal arbeitet.
Diese Aufgabe wird mittels einer Schaufel erzielt, die die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.
Solche Schaufeln haben die Eigenschaft, dass sich die Form der betreffenden Tragfläche des Schaufelblattes automatisch den jeweiligen Betriebsbedingungen anpasst. Dies betrifft insbesondere die Wölbung der Tragfläche. Damit lässt sich die Leistungsumsetzung optimieren und der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine steigern.
Das erfindungsgemäße Schaufelblatt umfasst somit eine innere Tragstruktur und eine die Tragstruktur umgebende elastische Hülle, die beim Betrieb mediumberührt ist. Die Tragstruktur weist eine Kontur auf, die der Kontur einer herkömmlichen Schaufel entspricht. Das Profil der Tragstruktur ist nicht notwendigerweise im Hinblick auf bestimmte Betriebsbedingungen optimiert. Das Profil kann – in Bezug auf die beiden Seitenflächen – symmetrisch sein und – in einem Querschnitt senkrecht zu den beiden Seitenflächen – die Gestalt einer Lanzenspitze aufweisen.
Zwischen der elastischen Hülle und der Tragstruktur wird ein fließfähiges Aufblas-Medium eingebracht. Dieses kann sich auf der einen oder auf der anderen Seite befinden. Je nachdem, auf welcher Seite es sich befindet, wird der dort befindliche Teil der elastischen Hülle aufgeblasen und somit stärker gewölbt, als auf der anderen Seite.
Es können Maßnahmen getroffen werden, um ein Überströmen des Aufblasmediums von der einen Seite des Schaufelblattes zur anderen zu ermöglichen. Als solche Maßnahmen kommen beispielsweise Perforationen in der Tragstruktur in Betracht.
Beim Betrieb der betreffenden hydraulischen Maschine wandert das Aufblasmedium zu einer der beiden Seiten des Schaufelblattes hin, so dass die elastische Hülle allein auf jener Seite ausgewölbt wird. Dies wird immer diejenige Seite des Schaufelblattes sein, die der angeströmten Seite gegenüberliegt. Die Auswölbung erfolgt daher immer auf der „richtigen" Seite des Schaufelblattes, somit dort, wo sie zur Optimierung der Arbeit der hydraulischen Maschine erwünscht ist.
Dies ist besonders wichtig für Schiffspropeller, deren Drehrichtung bekanntlich zur Änderung der Schubrichtung umgekehrt werden kann. Dabei werden Saugseite und Druckseite des Schaufelblattes vertauscht.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform kommt jedoch auch Folgendes in Betracht: Die beiden Zwischenräume beidseits der Tragstruktur – jeweils zwischen Tragstruktur und elastischer Hülle – sind an ein Druckmedium anschließbar. Es kann somit dem einen oder dem anderen Zwischenraum Druckmedium in unterschiedlichem Maße, das heißt mit unterschiedlicher Menge und unter unterschiedlichem Druck zugeführt werden.
In diesem Falle braucht die Tragstruktur nicht perforiert zu sein. Sie hat vielmehr die Funktion einer Scheidewand.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt in schematischer Darstellung und in einem Schnitt das Schaufelblatt eines Schiffspropellers in einem ersten Anströmzustand.
2 zeigt den Gegenstand von 1 in einem zweiten Anströmzustand.
Das in 1 dargestellte Schaufelblatt 1 umfasst eine Tragstruktur 2. Diese hat die Kontur einer Lanzenspitze. Sie ist in Bezug auf ihre Längsachse symmetrisch gestaltet. Die beiden Außenflächen der Tragstruktur 2 haben somit denselben Verlauf.
Die Tragstruktur 2 ist umgeben von einer elastischen Hülle 3. Jegliches Material kommt in Betracht, beispielsweise Gummi oder Kunststoff. Die elastische Hülle 3 weist ein gewisses Übermaß gegenüber der Tragstruktur 2 auf, so dass sich auf der einen oder anderen Seite des Schaufelblattes 1 ein Spaltraum ergibt.
Zwischen der elastischen Hülle 3 und der Tragstruktur 2 befindet sich ein fließfähiges Medium 4, im folgenden „Aufblas-Medium" genannt. Dieses kann durch Perforationen 2.1 in der Tragstruktur 2 von der einen Seite des Schaufelblattes zur anderen strömen. Die beiden 1 und 2 zeigen das Aufblas-Medium 4 jeweils auf verschiedenen Seiten des Schaufelblattes 1.
Wie man aus den 1 und 2 weiterhin erkennt, befindet sich das Aufblas-Medium jeweils auf der der Anströmseite abgewandten Seite des Schaufelblattes 1. Gleichzeitig sieht man, dass die elastische Hülle 3 jeweils auf jener Seite stärker ausgewölbt ist, wo sich das Aufblas-Medium 4 befindet.
Im Betrieb stellt sich dieser Zustand automatisch ein. Wird die Drehrichtung des Schiffspropellers umgekehrt, weil man die Schubrichtung ändern möchte, so bewirkt die Druckverteilung am Schaufelblatt einen Überdruck und damit eine Auswölbung auf der Seite, so wie in den Figuren dargestellt. Die Auswölbung befindet sich jeweils auf der „richtigen" Seite. Es ergibt sich eine bessere Umströmung des Schaufelblattes 1. Der Wirkungsgrad wird gesteigert, und Kavitation wird vermieden.
Die Erfindung ist auch anwendbar bei anders gestalteten Schaufelblättern. So können beispielsweise Schaufelblätter verwendet werden, die nicht symmetrisch gestaltet sind, so wie oben ausgeführt. Auch lässt sich die Erfindung bei Schaufelblättern anwenden, deren Form oder Kontur sich durch andere Maßnahmen verändern lässt.
1 zeigt die Blätter 1 des Rotors der ersten von zwei Einheiten. Im vorliegenden Falle handelt es sich um sieben Blätter. Es könnten aber auch mehr oder weniger sein. Wie man sieht, weisen die freien Enden der Blätter auf das Zentrum der Strahleinheit, so dass zwischen den freien Enden ein Freiraum verbleibt.
Aus 2 erkennt man, das es sich um zwei Einheiten handelt. Hieraus sind auch einige der Schaufelblätter der beiden Strahleinheiten zu erkennen, nämlich wiederum Schaufelblätter 1 der ersten Einheit und Schaufelblätter der zweiten Einheit.

1: Schaufelblatt
2: Tragstruktur
2.1: Perforation
3: elastische Hülle
4: Aufblas-Medium

Claims

Schaufel für eine Strömungsmaschine 1.1 mit einem Schaufelblatt (1); 1.2 die mediumberührte Außenfläche des Schaufelblattes (1) ist aus einer elastischen Hülle (3) gebildet, die eine Tragstruktur (2) umschließt; 1.3 zwischen der elastischen Hülle (3) und der Tragstruktur (2) befindet sich ein fließfähiges Aufblasmedium (4); 1.4 es sind Maßnahmen getroffen, um ein Überströmen des Aufblas-Mediums (4) von der einen Seite des Schaufelblattes (1) zur anderen Seite zu ermöglichen.
Schaufel für eine Strömungsmaschine 2.1 mit einem Schaufelblatt (1); 2.2 die mediumberührte Außenfläche des Schaufelblattes (1) ist aus einer elastischen Hülle (3) gebildet, die eine Tragstruktur (2) umschließt; 2.3 in die Zwischenräume zwischen der Tragstruktur (2) und der einen oder der anderen Breitseite der elastischen Hülle (3) ist ein fließfähiges Aufblasmedium (4) einbringbar;
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) Perforationen (2.1) zum Herstellen einer leitenden Verbindung zwischen den beiden Seiten des Schaufelblattes (1) aufweist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2), in einem Querschnitt gesehen, in Bezug auf die Längsmittelebene oder Längsachse des Schaufelblattes (1) symmetrisch gestaltet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufblas-Medium (4) eine Flüssigkeit oder ein Gas oder ein pastöser Stoff ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) im Hinblick auf eine Optimierung des Arbeitsverhaltens flexibel ist oder wenigstens teilweise aus flexiblem Material gebildet ist.
Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (2) und/oder die elastische Hülle (3) im Hinblick auf eine Optimierung des Arbeitsverhaltens über die Fläche des Schaufelblattes (1) jeweils unterschiedliche Dickenprofile aufweisen.