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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Form eines Gaskanals in einer
Axialströmungs-Gasturbinenmaschine, in welcher eine Mehrzahl
von Einlassführungsflügeln radial in einem ringförmigen
Gaskanal angeordnet sind, der zwischen einer inneren peripheren
Wand und einer äußeren peripheren Wand definiert
ist.
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Zurzeit
sind in großen oder mittleren Maschinen die Formen der
inneren peripheren Wand und der äußeren peripheren
Wand des Gaskanals von Einlassführungsflügeln,
welche in den Turbinen von Axialströmungs-Gasturbinenmaschinen
für Luftfahrzeuge eingesetzt werden, hauptsächlich
zylindrische Formen oder konische Formen, welche jeweils durch eine
Erzeugungslinie gebildet sind, die eine gerade Linie umfassen. Als
modifizierte Form der konischen Form existiert ferner eine Form,
welche durch eine S-förmige Erzeugungslinie mit einem einzigen
Wendepunkt gebildet ist. In kleinen Maschinen unterscheidet sich
die Form der äußeren peripheren Wand nicht von
der großer oder mittlerer Maschinen, jedoch wird für
die Formen der inneren Umfangswände im Allgemeinen eine
einfache zylindrische Form eingesetzt, da die innere periphere Wand
aufgrund ihrer kleinen Größe einem geringen Maß an
Konstruktionsfreiheit unterliegt.
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Die
Beschreibung des
US-Patents Nr. 6,283,713 offenbart
eine Gasturbine, in welcher die Form einer Endwand
33 einer
Plattform
31, welche die Nabe eines Turbinenblatts
29 bildet,
so hergestellt ist, dass sie an einer Seite einer Saugfläche
34 und
an einer Seite einer Druckfläche
35 des Turbinenblatts
29 unterschiedlich
ist, wodurch der Druckgradient zwischen den benachbarten Turbinenblättern
29 reduziert
wird, um das Auftreten von Wirbel und Druckverlust zu verzögern.
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Die
Beschreibung des
US-Patents Nr. 6,669,445 offenbart
eine Strömungslenkungsanordnung, in welcher die Oberflächenform
einer Plattform
16, welche das in einer radialen Richtung
innere Ende eines Blatts
12 oder eines Flügels
12 eines Kompressors
oder einer Turbine einer Gasturbinenmaschine trägt, in
der radialen Richtung an einem mit dem Blatt
12 oder dem
Flügel
12 in Kontakt stehendem Abschnitt nach
außen gewölbt ist und an einem in Umfangsrichtung
mittleren Abschnitt in radialer Richtung nach innen vertieft ist,
wodurch eine Druckwelle in einem transsonischen Bereich reduziert
wird.
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Die
Beschreibung des
US-Patents Nr. 6,561,761 offenbart
einen Kompressorströmungsweg, in welchem eine sich in einer
Gasströmungsrichtung erstreckende Kehle
40 in
einem Bereich ausgebildet ist, der zwischen benachbarten Blättern
16 in
einer Plattform
38, die die innere periphere Wand des Blatts
16 des
Kompressors einer Gasturbinenmaschine bildet, und einer die äußere
periphere Wand bildenden Verkleidung
36 aufgenommen ist, wodurch
der Gaskanal erweitert wird, um den Wirkungsgrad des Kompressors
zu verbessern.
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Die
Beschreibung des
US-Patents Nr. 5,466,123 offenbart
eine Gasturbinenmaschine, in welcher konvexe Abschnitte und konkave
Abschnitte, die sich in Umfangsrichtung fortsetzen, an der inneren
Plattform
27 des Düsenführungsflügels
20 einer Turbine
ausgebildet sind, wodurch eine gleichmäßige Verteilung
in der Umfangsrichtung stromabwärts des Düsenführungsflügels
20 hergestellt
wird.
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Es
ist bekannt, dass der Druckverlust an dem Einlassführungsflügel
einer Turbine einer Turbinenmaschine auftritt, weil eine Sekundärströmung
von einem Vorderende zu einer nabenseitigen Seite hin aufgrund einer
Druckdifferenz in der Spannweitenrichtung in der Saugoberfläche
des Einlassführungsflügels auftritt, und somit
der Austrittsströmungswinkel des Gases von der hinteren
Kante in Spannweitenrichtung ungleichmäßig wird,
so dass der Wirkungsgrad der Turbine in ihrem hinteren Abschnitt
reduziert wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anbetracht der vorstehenden Umstände
entstanden und hat zur Aufgabe, eine Form eines Gaskanals zur Reduzierung
von Druckverlust aufgrund einer Sekundärströmung
eines Einlassführungsflügels einer Turbine in einer
Axialströmungs-Gasturbinenmaschine bereitzustellen.
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Um
die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem
ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung bereitgestellt: eine Form
eines Gaskanals in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine,
in welcher eine Mehrzahl von Einlassführungsflügeln
radial in einem ringförmigen Gaskanal angeordnet sind,
der zwischen einer inneren peripheren Wand und einer äußeren
peripheren Wand definiert ist. Bei dieser Form umfasst die innere
periphere Wand zwischen einer Führungskante und einer nachlaufenden
Kante des Einlassführungsflügels: einen inneren
peripheren konkaven Abschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite
der Fluidströmungsrichtung, welcher in eine konkave Form
zu einer in radialer Richtung äußeren Seite hin
gekrümmt ist; und einen inneren peripheren konvexen Abschnitt
auf einer stromabwärtigen Seite in Fluidströmungsrichtung,
welcher in eine konvexe Form zu einer in radialer Richtung äußeren
Seite hin gekrümmt ist. Außerdem ist der innere
periphere konvexe Abschnitt in Bezug auf eine Referenzlinie, die
in radialer Richtung innere Enden der Führungskante und
der nachlaufenden Kante des Einlassführungsflüges
verbindet, auf einer in radialer Richtung äußeren
Seite positioniert.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt:
eine Form eines Gaskanals in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine,
in welcher eine Mehrzahl von Einlassführungsflügeln
radial in einem ringförmigen Gaskanal angeordnet sind,
der zwischen einer inneren peripheren Wand und einer äußeren
peripheren Wand definiert ist. Bei dieser Form umfasst die äußere
periphere Wand zwischen einer Führungskante und einer nachlaufenden
Kante des Einlassführungsflügels: einen äußeren
peripheren konvexen Abschnitt auf einer stromaufwärtigen
Seite einer Fluidströmungsrichtung, welcher in einer konvexen
Form zu einer in radialer Richtung inneren Seite hin gekrümmt
ist; und einen äußeren peripheren konkaven Abschnitt
auf einer stromabwärtigen Seite der Fluidströmungsrichtung,
welcher in eine konkave Form zu der in radialer Richtung inneren
Seite hin gekrümmt ist.
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Gemäß einem
dritten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt:
eine Form eines Gaskanals in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine,
in welcher eine Mehrzahl von Einlassführungsflügeln
radial in einem ringförmigen Gaskanal angeordnet sind,
der zwischen einer inneren peripheren Wand und einer äußeren
peripheren Wand definiert ist. Bei dieser Form umfasst die innere
periphere Wand zwischen einer Führungskante und einer nachlaufenden
Kante des Einlassführungsflügels: einen inneren
peripheren konkaven Abschnitt auf einer stromaufwärtigen
Seite einer Fluidströmungsrichtung, der in eine konkave
Form zu einer in radialer Richtung äußeren Seite
hin gekrümmt ist; und einen inneren peripheren konvexen
Abschnitt auf einer stromabwärtigen Seite der Fluidströmungsrichtung, welcher
in eine konvexe Form zu einer in radialer Richtung äußeren
Seite hin gekrümmt ist. Außerdem ist der innere
periphere konvexe Abschnitt in Bezug auf eine Referenzlinie, die
in radialer Richtung innere Enden der Führungskante und
der nachlaufenden Kante des Einlassführungsflügels
verbindet, auf der in radialer Richtung äußeren
Seite positioniert. Ferner umfasst die äußere
periphere Wand zwischen der Führungskante und der nachlaufenden
Kante des Einlassführungsflügels: einen äußeren
peripheren konvexen Abschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite
in der Fluidströmungsrichtung, welcher in eine konvexe
Form zu einer in radialer Richtung inneren Seite gekrümmt
ist; und einen äußeren peripheren konkaven Abschnitt
auf einer stromabwärtigen Seite der Fluidströmungsrichtung,
welcher in eine konkave Form zu einer in radialer Richtung inneren
Seite hin gekrümmt ist.
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Zusätzlich
zum ersten oder dritten Merkmal weist gemäß einem
vierten Merkmal der vorliegenden Erfindung die innere periphere
Wand drei Wendepunkte auf.
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Zusätzlich
zum vierten Merkmal weist gemäß einem fünften
Merkmal der vorliegenden Erfindung die innere periphere Wand einen
Wendepunkt in einem Bereich von der Führungskante bis zu
einer Position bei 50% der Flügeltiefe auf, und weist zwei Wendepunkte
in einem Bereich von einer Position bei 50% der Flügeltiefe
bis zur nachlaufenden Kante auf.
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Zusätzlich
zum zweiten oder dritten Merkmal weist gemäß einem
sechsten Merkmal der vorliegenden Erfindung die äußere
periphere Wand drei oder mehr Wendepunkte auf.
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Zusätzlich
zum sechsten Merkmal weist gemäß einem siebten
Merkmal der vorliegenden Erfindung die äußere
periphere Wand zwei Wendepunkte in einem Bereich von der Führungskante
bis zu einer Position bei 50% der Flügeltiefe auf und weist
einen oder mehr Wendepunkte in einem Bereich von der Position bei
50% der Flügeltiefe bis zur nachlaufenden Kante auf.
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Gemäß einem
achten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt: eine
Form eines Gaskanals in einer Axialströmungs-Gasturbinenmaschine,
in welcher eine Mehrzahl von Einlassführungsflügeln
radial in einem ringförmigen Gaskanal angeordnet sind,
der zwischen einer inneren peripheren Wand und einer äußeren
peripheren Wand definiert ist. Bei dieser Form weist eine in radialer
Richtung betrachtete Höhe des Gaskanals zwischen der inneren
peripheren Wand und der äußeren peripheren Wand
wenigstens einen Maximalwert auf und weist auf einer von der Position
des Maximalwerts stromabwärtigen Seite in Fluidströmungsrichtung wenigstens
einen Minimalwert auf.
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Zusätzlich
zum achten Merkmal umfasst gemäß einem neunten
Merkmal der vorliegenden Erfindung die äußere
periphere Wand zwischen einer Führungskante und einer nachlaufenden
Kante des Einlassführungsflügels: einen äußeren
peripheren konvexen Abschnitt auf einer stromaufwärtigen
Seite in Fluidströmungsrichtung, welcher in eine konvexe Form
zu einer in radialer Richtung inneren Seite hin gekrümmt
ist; und einen äußeren peripheren konkaven Abschnitt
auf einer stromabwärtigen Seite der Fluidströmungsrichtung,
welcher in eine konkave Form zu der in radialer Richtung inneren
Seite hin gekrümmt ist, und ein Minimalwert, welcher von
dem wenigstens einen Minimalwert verschieden ist, tritt in dem äußeren
peripheren konvexen Abschnitt auf.
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Mit
dem ersten Merkmal gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind ein innerer peripherer konkaver
Abschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite, welcher in
eine konkave Form zu einer Außenseite in radialer Richtung
hin gekrümmt ist, und ein innerer peripherer konvexer Abschnitt
auf einer stromabwärtigen Seite, welcher in eine konvexe
Form zu der Außenseite in radialer Richtung hin gekrümmt
ist, in der inneren peripheren Wand des Einlassführungsflügels
vorgesehen und der innere periphere konvexe Abschnitt ist in Bezug auf
eine Referenzlinie, welche in radialer Richtung innere Enden der
Führungskante und der nachlaufenden Kante des Einlassführungsflügels
verbindet, in radialer Richtung auf der äußeren
Seite angeordnet. Gemäß dem zweiten Merkmal entsprechend
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind ein äußerer peripherer konvexer Abschnitt auf
der stromaufwärtigen Seite, welcher in eine konvexe Form
zu einer in radialer Richtung inneren Seite hin gekrümmt
ist, und ein äußerer peripherer konkaver Abschnitt
auf der stromabwärtigen Seite, welcher in eine konkave
Form zu der in radialer Richtung inneren Seite hin gekrümmt
ist, in der äußeren peripheren Wand des Einlassführungsflügels
vorgesehen. Das dritte Merkmal gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die oben
beschriebenen ersten und zweiten Merkmale auf.
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Gemäß dem
achten Merkmal entsprechend der ersten bis dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist in radialer Richtung die Höhe des
ringförmigen Gaskanals, der zwischen der inneren peripheren
Wand und der äußeren peripheren Wand des Einlassführungsflügels
definiert ist, den maximalen Wert auf der stromaufwärtigen
Seite in Fluidströmungsrichtung und den minimalen Wert
auf der stromabwärtigen Seite in der Fluidströmungsrichtung
auf.
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Mit
diesen Anordnungen wird der Druckunterschied in der Spannweitenrichtung
in dem stromaufwärtigen Abschnitt der inneren peripheren
Wand oder der äußeren peripheren Wand des Einlassführungsflügels
reduziert oder teilweise umgekehrt, die Sekundärströmung
in radialer Richtung von Seiten der Spitzen zur Nabenseite des Einlassführungsflügels
hin wird unterdrückt, um den Druckverlust zu reduzieren,
und es wird eine gleichmäßige, in den hinteren
Abschnitt der Turbine strömende Gasströmung bereitgestellt.
Die Maximalbelastungsposition, an welcher die Druckdifferenz zwischen
der Saugfläche und der Druckfläche des Einlassführungsflügels
maximal wird, wird zur Seite der nachlaufenden Kante hin verschoben,
wodurch die Sekundärströmung in Umfangsrichtung
von der Druckfläche zur Saugfläche hin zwischen
in Umfangsrichtung benachbarten Einlassführungsflügeln
unterdrückt wird, so dass eine gleichmäßige
Strömung der Gasströmung in den hinteren Abschnitt
der Turbine erreicht wird.
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Der
oben beschriebene Effekt zeigt sich, wenn nur die Form der inneren
peripheren Wand optimiert wird oder wenn nur die Form der äußeren
peripheren Wand optimiert wird, er zeigt sich jedoch effektiver,
wenn die Form der inneren peripheren Wand sowie die Form der äußeren
peripheren Wand gleichzeitig optimiert werden.
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Die
oben erwähnte Aufgabe, andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich,
welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen im Detail beschrieben werden.
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1 ist
eine Darstellung, welche Formen von Gaskanälen von Einlassführungsflügeln
eines Vergleichsbeispiels und einer ersten bis dritten Ausführungsform
zeigt.
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2 ist
eine Darstellung, welche Verteilungen von Höhen in radialer
Richtung der Gaskanäle der Einlassführungsflügel
des Vergleichsbeispiels und der ersten bis dritten Ausführungsform
zeigt.
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3A bis 3D sind
Darstellungen, welche Verteilungen von Mach-Zahlen in Bezug auf
axiale Flügeltiefen für das Vergleichsbeispiel
und die erste bis dritte Ausführungsform zeigt.
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4A bis 4D sind
Darstellungen, welche Verteilungen von Druckverlust in einer Spannweitenrichtung
und in einer Umfangsrichtung für das Vergleichsbeispiel
und die erste bis dritte Ausführungsform zeigt.
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5A und 5B sind
Darstellungen, welche Verteilungen von Austrittsströmungswinkeln
in der Spannweitenrichtung und der Umfangsrichtung für
das Vergleichsbeispiel und die dritte Ausführungsform zeigt.
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6 ist
eine Darstellung, welche Verteilungen eines Druckverlusts in der
Spannweitenrichtung für das Vergleichsbeispiel und die
dritte Ausführungsform zeigt.
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7 ist
eine Darstellung, welche Verteilungen von Austrittsströmungswinkeln
in der Spannweitenrichtung für das Vergleichsbeispiel und
die dritte Ausführungsform zeigt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun auf Grundlage der beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
die Formen einer inneren peripheren Wand Ch und einer äußeren
peripheren Wand Ct eines Einlassführungsflügels
V, welcher an einem Einlass einer Turbine einer Gasturbinenmaschine
angeordnet ist. Bezugszeichen LE repräsentiert eine Führungskante
des Einlassführungsflügels V und Bezugszeichen
TE repräsentiert eine nachlaufende Kante des Einlassführungsflügels
V. Der Einlassführungsflügel V weist ein ultra-kleines
Seitenverhältnis auf, wobei eine Flügeltiefe (Länge
in axialer Richtung) größer ist als eine Spannweite
(Länge in radialer Richtung). Die Führungskante
LE erstreckt sich derart, dass sie in Bezug auf eine Nabenseite (innere
Seite in radialer Richtung) an einer Spitzenseite (äußere
Seite in radialer Richtung) zu einer, in Gasströmungsrichtung
betrachtet, stromaufwärtigen Seite hin geneigt ist. Die
nachlaufende Kante TE erstreckt sich wohl an der Nabenseite als
auch an der Spitzenseite in einer zur Gasströmungsrichtung
orthogonalen Richtung.
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Die
Linie mit den schwarzen Kreisen zeigt ein Vergleichsbeispiel, in
welchem die innere periphere Wand Ch an der Nabenseite mit einer
geraden Linie (konstanter Durchmesser) entlang der Gasströmungsrichtung
geformt ist, während die äußere periphere
Wand Ct an der Spitzenseite monoton und glatt, in Gasströmungsrichtung
betrachtet, von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen
Seite hin in ihrem Durchmesser abnimmt. Die Form (gerade Linie)
der inneren peripheren Wand Ch des Vergleichsbeispiels wird als
eine Referenzlinie bezeichnet.
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Die
Linie mit den Dreiecken zeigt eine erste Ausführungsform,
in welcher eine Optimierung der inneren peripheren Wand Ch durchgeführt
ist, und die Form der äußeren peripheren Wand
Ct die gleiche wie die des Vergleichsbeispiels ist (siehe die Linie
mit den schwarzen Kreisen). In der Form der inneren peripheren Wand
Ch der ersten Ausführungsform ist ein großer innerer
peripherer konkaver Abschnitt Cc1, welcher in radialer Richtung
zu einer inneren Seite von der Referenzlinie aus gekrümmt
ist, in einem Bereich von der Führungskante LE des Einlassführungsflügels
V bis in die Nähe einer 80%-Position der axialen Flügeltiefe
ausgebildet, und ein kleiner innerer peripherer konvexer Abschnitt
Cv1, welcher von der Referenzlinie aus in radialer Richtung zu einer
Außenseite hin gekrümmt ist, ist in dem Bereich von
der Nähe der 80%-Position der axialen Flügeltiefe
bis zur nachlaufenden Kante TE ausgebildet. Die innere periphere
Wand Ch der ersten Ausführungsform enthält in
dem Bereich von der Führungskante LE bis zur nachlaufenden
Kante TE zur äußeren peripheren Wand Ct hin einen
ersten Wendepunkt P1, bei welchem die Krümmung von konvex
zu konkav wechselt, einen zweiten Wendepunkt P2, an welchem sich
die Krümmung von konkav zu konvex ändert, und
einen dritten Wendepunkt P3, an welchem sich die Krümmung
von konvex zu konkav ändert.
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Die
Linie mit Quadraten zeigt eine zweite Ausführungsform,
in welcher eine Optimierung der äußeren peripheren
Wand Ct durchgeführt ist und die Form der inneren peripheren
Wand Ch die gleiche ist wie die des Vergleichsbeispiels (siehe Linie
mit den schwarzen Kreisen). Bei der Form der äußeren
peripheren Wand Ct der zweiten Ausführungsform ist ein äußerer
peripherer konvexer Abschnitt Cv2, welcher in radialer Richtung
zur Innenseite hin gekrümmt ist, unmittelbar nach der Führungskante
LE ausgebildet, und auf der stromabwärtigen Seite davon
ist ein äußerer peripherer konkaver Abschnitt
Cc2 ausgebildet, welcher in radialer Richtung zur Außenseite
hin gekrümmt ist, wodurch eine in einer S-Form gekrümmte
Wandfläche ausgebildet wird, und auf der stromabwärtigen
Seite davon nimmt die Querschnittsfläche des Gaskanals
zur nachlaufenden Kante TE hin allmählich ab. Die äußere
periphere Wand Ct der zweiten Ausführungsform umfasst in dem
Bereich von der Führungskante LE bis zur nachlaufenden
Kante TE, zur inneren peripheren Wand Ch hin, einen ersten Wendepunkt
P4, an welchem sich die Krümmung von konkav zu konvex ändert,
einen zweiten Wendepunkt P5, an welchem sich die Krümmung
von konvex zu konkav ändert, einen dritten Wendepunkt P6,
an welchem sich die Krümmung von konkav zu konvex ändert,
sowie einen vierten Wendepunkt P7, an welchem sich die Krümmung
von konkav zu konvex ändert.
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Die
Linie mit Rauten zeigt eine dritte Ausführungsform, in
welcher eine Optimierung der inneren peripheren Wand Ch und eine
Optimierung der äußeren peripheren Wand Ct gleichzeitig
durchgeführt wurden. Die Form der inneren peripheren Wand
Ch ist ähnlich der Form der inneren peripheren Wand Ch der
ersten Ausführungsform, jedoch ist ein innerer peripherer
konkaver Abschnitt Cc3 der dritten Ausführungsform von
dem inneren peripheren konkaven Abschnitt Cc1 der ersten Ausführungsform
zur stromaufwärtigen Seite hin verschoben, so dass das
Ausmaß der Vertiefung reduziert wird, und ein innerer peripherer
konvexer Abschnitt Cv3 der dritten Ausführungsform ist
von dem inneren peripheren konvexen Abschnitt Cv1 der ersten Ausführungsform
aus zur stromaufwärtigen Seite hin verschoben, um das Ausmaß der
Wölbung zu vergrößern. Die innere periphere
Wand Ch der dritten Ausführungsform umfasst in dem Bereich
von der Führungskante LE bis zur nachlaufenden Kante TE,
zur äußeren peripheren Wand Ct hin, einen ersten
Wendepunkt P8, an welchem sich die Krümmung von konvex
zu konkav ändert, einen zweiten Wendepunkt P9, an welchem
sich die Krümmung von konkav zu konvex ändert,
und einen dritten Wendepunkt P10, an welchem sich die Krümmung
von konvex zu konkav ändert.
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Die
Form der äußeren peripheren Wand Ct der dritten
Ausführungsform ist ähnlich der Form der äußeren
peripheren Wand Ct der zweiten Ausführungsform, wobei sich
jedoch ein Abschnitt mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser
auf der stromabwärtigen Seite der Führungskante
LE fortsetzt. Daher ist ein äußerer peripherer
konvexer Abschnitt Cv4 der dritten Ausführungsform gegenüber dem äußeren
peripheren konvexen Abschnitt Cv2 der zweiten Ausführungsform
zur stromabwärtigen Seite sowie zur äußeren
Seite in radialer Richtung verschoben, wodurch das Ausmaß der
Wölbung reduziert wird. Ein äußerer peripherer
konkaver Abschnitt Cc4 der dritten Ausführungsform ist
gegenüber dem äußeren peripheren konkaven
Abschnitt Cc2 der zweiten Ausführungsform zur äußeren
Seite in radialer Richtung hin verschoben, und an der stromabwärtigen
Seite des äußeren peripheren konkaven Abschnitts
Cc4 ist die Querschnittsfläche des Gaskanals allmählich
zur nachlaufenden Kante TE hin reduziert. Die äußere
periphere Wand Ct der dritten Ausführungsform umfasst in
dem Bereich von der Führungskante LE zur nachlaufenden
Kante TE, zur inneren peripheren Wand Ch hin, einen ersten Wendepunkt
P11, an welchem sich die Krümmung von konvex zu konkav ändert,
einen zweiten Wendepunkt P12, an welchem sich die Krümmung
von konvex zu konkav ändert, und einen dritten Wendepunkt
P3, an welchem sich die Krümmung von konkav zu konvex ändert.
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In
der ersten Ausführungsform befindet sich der eine Wendepunkt
P1 in dem Bereich von der Führungskante LE der inneren
peripheren Wand Ch bis zur Position bei 50% der Flügeltiefe
und die beiden Wendepunkte P2 und P3 befinden sich in dem Bereich
von der Position bei 50% der Flügeltiefe bis zur nachlaufenden
Kante TE.
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In
der zweiten Ausführungsform befinden sich die beiden Wendepunkte
P4 und P5 in dem Bereich von der Führungskante LE der äußeren
peripheren Wand Ct bis zur Position bei 50% der Flügeltiefe
und die beiden Wendepunkte P6 und P7 befinden sich in dem Bereich
von der Position bei 50% der Flügeltiefe bis zur nachlaufenden
Kante TE.
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In
der dritten Ausführungsform befindet sich der eine Wendepunkt
P8 in dem Bereich von der Führungskante LE der inneren
peripheren Wand Ch bis zur Position bei 50% der Flügeltiefe
und die beiden Wendepunkte P9 und P10 befinden sich in dem Bereich
von der Position bei 50% der Flügeltiefe bis zur nachlaufenden
Kante TE. Die beiden Wendepunkte P11 und P12 befinden sich in dem
Bereich von der Führungskante LE der äußeren
peripheren Wand Ct bis zur Position bei 50% der Flügeltiefe
und der eine Wendepunkt P13 befindet sich in dem Bereich von der
Position bei 50% der Flügeltiefe bis zur nachlaufenden
Kante TE.
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2 zeigt
die Verteilung in der Flügeltiefenrichtung für
die in radialer Richtung betrachtete Höhe des Gaskanals
zwischen der inneren peripheren Wand Ch und der äußeren
peripheren Wand Ct des Einlassführungsflügels
V. 2 ist dimensionslos dargestellt, bezogen auf die
in radialer Richtung betrachtete Höhe des Gaskanals des
Vergleichsbeispiels.
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In
der ersten Ausführungsform, in welcher eine Optimierung
der inneren peripheren Wand Ch durchgeführt ist, nimmt
die in radialer Richtung betrachtete Höhe des Gaskanals
von der Seite der Führungskante LE zur Seite der nachlaufenden
Kante TE hin von 100 als Referenzwert aus zu, um den Maximalwert
zu erreichen, nimmt dann ab, um den Minimalwert unterhalb von 100
zu erreichen und steigt danach wieder an, um auf 100 zurückzukehren.
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Die
zweite Ausführungsform, bei welcher die Optimierung der äußeren
peripheren Wand Ct durchgeführt wurde, weist im Grunde
die gleichen Charakteristiken auf, wie die erste Ausführungsform,
ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung
betrachtete Höhe des Gaskanals einmal von dem Referenzwert
100 unmittelbar nach der Führungskante LE abnimmt und den
zweiten Minimalwert verschieden von dem oben beschriebenen Minimalwert
ausbildet.
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Die
dritte Ausführungsform, in welcher eine Optimierung der
inneren peripheren Wand Ch und eine Optimierung der äußeren
peripheren Wand Ct gleichzeitig ausgeführt wurden, weist
die gleichen Charakteristiken auf wie die erste Ausführungsform, wobei
jedoch der Maximalwert größer ist als der der ersten
Ausführungsform und der Minimalwert kleiner ist als der
der ersten Ausführungsform, was dazu führt, dass
die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert auf einen
größeren Wert ansteigt als in der ersten Ausführungsform.
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Die
Charakteristik, die den ersten bis dritten Ausführungsformen
gemeinsam ist, liegt darin, dass die Belastung des Einlassführungsflügels
V verglichen mit den Vergleichsbeispiel zur Seite der nachlaufenden
Kante TE hin verschoben ist, indem die in radialer Richtung betrachtete
Höhe des Gaskanals, definiert durch die innere periphere
Wand Ch und die äußere periphere Wand Ct, von
dem stromaufwärtigen Abschnitt zum mittleren Abschnitt
hin vorübergehend erweitert ist und anschließend
die Höhe schnell zum stromabwärtigen Abschnitt
hin abnimmt.
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Der
starke Faktor, welcher den Druckverlust in dem Einlassführungsflügel
V verursacht, ist das Auftreten der Sekundärströmung
von der Spitzenseite der des Einlassführungsflügels
V (Seite der äußeren peripheren Wand Ct) zur Habenseite
hin (Seite der inneren peripheren Wand Ch), aufgrund der Druckdifferenz
in der Spannweitenrichtung in der Saugfläche des Einlassführungsflügels
V. Dies liegt daran, dass dann, wenn eine solche Sekundärströmung
in radialer Richtung einwärts auftritt, der Abströmwinkel
des Gases von der nachlaufenden Kante des Einlassführungsflügels
V in der Spannweitenrichtung ungleichmäßig wird
und die Effektivität der Turbine auf der Rückseite
reduziert wird.
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3A ist
ein Graph, welcher die Verteilung einer Mach-Zahl in Bezug auf die
axiale Flügeltiefe für das Vergleichsbeispiel
zeigt, wobei die drei Linien jeweils der 10%-Position, der 50%-Position
und der 90%-Position in Spannweitenrichtung ausgehend von der Seite
der inneren peripheren Wand Ch entsprechen. Die drei Linien auf
der unteren Seite sind der Druckfläche des Einlassführungsflügels
V zugeordnet, während die drei Linien auf der oberen Seite der
Saugfläche des Einlassführungsflügels
V zugeordnet sind. Der Faktor des Auftretens der Sekundärströmung
in radialer Richtung nach innen wird aus dem Druckgradienten der
Saugfläche abgelesen. Es wird nämlich angenommen,
dass in einem Bereich a in der Nähe der Führungskante
LE des Einlassführungsflügels V zur Seite der
inneren peripheren Wand Ch hin in Spannweitenrichtung die Mach-Zahl größer
wird und der Druck kleiner wird, und dass als Ergebnis die Sekundärströmung
von der Seite der äußeren peripheren Wand Ct aus,
welche sich bei hohem Druck befindet, zur Seite der inneren peripheren
Wand Ch hin, welche sich bei niedrigem Druck befindet, auftritt.
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3B zeigt
die erste Ausführungsform, in welcher die Optimierung der
inneren peripheren Wand Ch durchgeführt wurde. Es wird
angenommen, dass die Druckverteilung in der Spannweitenrichtung in
dem Bereich b stromabwärts des Bereichs a umgekehrt ist,
die Mach-Zahl zur Seite der inneren peripheren Wand Ch hin in Spannweitenrichtung
kleiner wird, so dass der Druck ansteigt, und im Ergebnis die Sekundärströmung
in der radialen Richtung von der Seite der äußeren
peripheren Wand Ct zur Seite der inneren peripheren Wand Ch hin
unterdrückt wird, um den Druckverlust zu reduzieren. In
dem Vergleichsbeispiel in 3A ist
die Position (Maximalbelastungsposition), bei welcher die Mach-Zahldifferenz
zwischen der Druckfläche und der Saugfläche des
Einlassführungsflügels maximal wird, die Position
bei 65% Flügeltiefe, während jedoch in der ersten Ausführungsform
der 3B die Maximalbelastungsposition zur Position
bei 70% der Flügeltiefe weiter zur stromabwärtigen
Seite hin verschoben ist. Dementsprechend wird angenommen, dass
die Sekundärströmung in der Umfangsrichtung, welche
von der Druckfläche zur Saugfläche zwischen den
benachbarten Einlassführungsflügeln V fortschreitet, unterdrückt
wird, was zur Reduzierung des Druckverlusts beiträgt, und
zwar in Zusammenwirkung mit der Reduzierung der oben beschriebenen
Sekundärströmung in radialer Richtung nach innen.
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3C zeigt
die zweite Ausführungsform, in welcher die Optimierung
der äußeren peripheren Wand Ct durchgeführt
wurde. 3D zeigt die dritte Ausführungsform,
in welcher die Optimierung der inneren peripheren Wand Ch und die
Optimierung der äußeren peripheren Wand Ct gleichzeitig
durchgeführt wurden. In der zweiten und der dritten Ausführungsform
ist das Umkehrphänomen des Druckgradienten in der Spannweitenrichtung
in dem Bereich b der ersten Ausführungsform der 3B nicht
zu beobachten, es wird jedoch angenommen, dass der Druckgradient
in der Spannweitenrichtung im Bereich a im Vergleich zum Vergleichsbeispiel
in 3A klein wird, wodurch die Sekundärströmung
in der radialen Richtung unterdrückt wird, und dass die Maximalbelastungsposition,
an welcher die Mach-Zahldifferenz zwischen der Druckfläche
und der Saugfläche maximal wird, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel
zur stromabwärtigen Seite hin verschoben ist, wodurch die
Sekundärströmung in der Umfangsrichtung unterdrückt
wird, um zur Reduzierung des Druckverlusts beizutragen.
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4A bis 4D sind
Graphen, welche die Verlustverteilung in der Spannweitenrichtung
und der Umfangsrichtung des Gaskanals, betrachtet von der stromabwärtigen
Seite zur stromaufwärtigen Seite, zeigen. 4A entspricht
dem Vergleichsbeispiel und 4B bis 4D entsprechen
jeweils der ersten bis dritten Ausführungsform. Ein dunklerer
Abschnitt in den Zeichnungen zeigt einen größeren Druckverlust
und der Druckverlust ist groß in der Nähe der
inneren peripheren Wand Ch des Einlassführungsflügels
V und in der Nähe der äußeren peripheren
Wand Ct, besonders in der Nähe der inneren peripheren Wand
Ch.
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Im
Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel und der ersten bis dritten
Ausführungsformen wird in der Verlustverteilung auf der
Seite der äußeren peripheren Wand Ct keine große
Differenz festgestellt, jedoch wird eine Differenz der Verlustverteilung
auf der Seite der inneren peripheren Wand Ch festgestellt. Im Bereich
a nimmt nämlich der Verlust der ersten bis dritten Ausführungsformen
verglichen mit dem Vergleichsbeispiel leicht zu, während
jedoch in dem Bereich b und in dem Bereich c der Verlust der ersten
bis dritten Ausführungsform verglichen mit dem Vergleichsbeispiel
abnimmt, und somit wird der Gesamtverlust der ersten bis dritten
Ausführungsformen als geringer angesehen als der Gesamtverlust des
Vergleichsbeispiels.
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5A und 5B sind
Graphen, welche die Verteilungen des Austrittsströmungswinkels
in der Spannweitenrichtung und der Umfangsrichtung des Gaskanals,
betrachtet von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen
Seite hin, zeigen. 5A entspricht dem Vergleichsbeispiel
und 5B entspricht der dritten Ausführungsform.
Die Zahlenangaben in diesen Zeichnungen bezeichnen Werte des Austrittsströmungswinkels.
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In
dem Vergleichsbeispiel sind Abschnitte, in welchen der Austrittsströmungswinkel
sich schnell ändert, das heißt zwei Kerne aufgrund
des Vorhandenseins des Wirbels, in der Nähe der inneren
peripheren Wand Ch vorhanden, während jedoch in der dritten
Ausführungsform beobachtet wird, dass der Kern auf der
linken Seite in der Zeichnung schwach wird und im Wesentlichen verschwindet
und die Verteilung des Austrittsströmungswinkels in der
Umfangsrichtung gleichmäßiger erhalten wird. Es
wird in Betracht gezogen, dass durch die Gleichmäßigkeit des
Austrittsströmungswinkels die Charakteristik der Strömung
am Eingang der Turbine auf der stromabwärtigen Seite des
Einlassführungsflügels V verbessert wird, um den
Verlust zu reduzieren.
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6 ist
ein Graph, welcher die Verteilung des Druckverlusts entlang der
Spannweitenrichtung des Einlassführungsflügels
zeigt. Die Linie mit den schwarzen Kreisen entspricht dem Vergleichsbeispiel
und die Linie mit den Rauten entspricht der dritten Ausführungsform,
in welcher eine Optimierung der inneren peripheren Wand Ch und eine
Optimierung der äußeren peripheren Wand Ct gleichzeitig ausgeführt
wurden. Der Druckverlust der dritten Ausführungsform ist
geringer als der Druckverlust des Vergleichsbeispiels im Bereich
von der Position bei 0% Flügeltiefe (innere periphere Wand
Ch) bis zu einer Position bei 87% Flügeltiefe. Im übrigen
Abschnitt des Bereichs, das heißt dem Bereich von einer
Position bei 87% der Flügeltiefe bis zu einer Position
bei 100% der Flügeltiefe (äußere periphere
Wand Ct), übersteigt der Druckverlust der dritten Ausführungsform
den Druckverlust des Vergleichsbeispiels. Es wird jedoch beobachtet,
dass insgesamt der Druckverlust der dritten Ausführungsform
kleiner ist als der Druckverlust des Vergleichsbeispiels.
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7 ist
ein Graph, welcher die Verteilung des Austrittsströmungswinkels
entlang der Spannweitenrichtung des Einlassführungsflügels
V zeigt. Die Linie mit den schwarzen Kreisen entspricht dem Vergleichsbeispiel
und die Linie mit den Rauten entspricht der dritten Ausführungsform,
in welcher die Optimierung der inneren peripheren Wand Ch und die
Optimierung der äußeren peripheren Wand Ct gleichzeitig
durchgeführt wurden. Verglichen mit dem Vergleichsbeispiel
wird in der dritten Ausführungsform der Austrittsströmungswinkel
in dem Breitenbereich in Spannweitenrichtung, einschließlich
dem Bereich von einer Position bei 0% der Flügeltiefe (innere periphere
Wand Ch) bis zur Position bei 25% der Flügeltiefe, im Wesentlichen
konstant gehalten, wodurch die Effektivität der Turbine
im hinteren Abschnitt des Einlassführungsflügels
V verbessert wird.
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Wenn
somit der Druckverlust des Vergleichsbeispiels bei 100 festgelegt
ist, so wird der Druckverlust der ersten Ausführungsform
(Optimierung der inneren peripheren Wand Ch) um 5% bis zu 95% verbessert,
der Druckverlust der zweiten Ausführungsform (Optimierung
der äußeren peripheren Wand Ct) wird um 6% bis
zu 94% verbessert und der Druckverlust der dritten Ausführungsform
(Optimierung der inneren peripheren Wand Ch und Optimierung der äußeren
peripheren Wand Ct) wird um 10% bis zu 90% verbessert.
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Wenngleich
die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben
wurden, so können verschiedene Änderungen der
Konstruktion ausgeführt werden, ohne den Gegenstand der
vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Eine
Axialströmungs-Gasturbinenmaschine umfasst eine Mehrzahl
von Einlassführungsflügeln (V), welche radial
in einem ringförmigen Gaskanal angeordnet sind, der zwischen
einer inneren peripheren Wand (Ch) und einer äußeren
peripheren Wand (Ct) einer Turbine definiert ist. Die innere periphere Wand
(Ch) des Gaskanals umfasst innere periphere konkave Abschnitte (Cc1
und Cc3) auf einer stromaufwärtigen Seite und innere periphere
konvexe Abschnitte (Cv1 und Cv3) auf einer stromabwärtigen Seite.
Die äußere periphere Wand (Ct) des Gaskanals umfasst äußere
periphere konvexe Abschnitte (Cv2 und Cv4) auf einer stromaufwärtigen
Seite und äußere periphere konkave Abschnitte
(Cc2 und Cc4) auf einer stromabwärtigen Seite. Daher wird
eine Druckdifferenz in radialer Richtung des Einlassführungsflügels
(V) reduziert oder teilweise umgekehrt und eine Sekundärströmung
zu einer inneren Seite in radialer Richtung kann unterdrückt
werden, um Druckverlust zu reduzieren. Eine Maximalbelastungsposition,
an welcher eine Druckdifferenz zwischen einer Druckfläche
und einer Saugfläche des Einlassführungsflügels
(V) maximal wird, wird zur Seite der nachlaufenden Kante (TE) hin
verschoben, wodurch eine Sekundärströmung in einer
Umfangsrichtung von der Druckfläche zur Saugfläche
hin zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Einlassführungsflügeln
(V) unterdrückt wird und eine gleichmäßige
Strömung von Gasströmung in die hinteren Abschnitte
der Turbine erreicht wird. Dieselbe Wirkung kann sich bei Durchführung
nur der Optimierung der Form der inneren peripheren Wand (Ch) oder
nur der Optimierung der Form der äußeren peripheren
Wand (Ct) zeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6283713 [0003]
- - US 6669445 [0004]
- - US 6561761 [0005]
- - US 5466123 [0006]