DE102010009615B4

DE102010009615B4 - Schaufelblatt mit gefädelten Profilschnitten

Info

Publication number: DE102010009615B4
Application number: DE102010009615.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Eibelshäuser Peter; Sergio Elorza Gomez
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-02-27
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2030-02-28
Also published as: WO2011103849A3; WO2011103849A2; US9435207B2; EP2539544A2; US20120315148A1; DE102010009615A1

Abstract

Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten ((i), (i + 1)) eines Schaufelblatts (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mittelpunktlagenkomponente (ΘCG(i+1), xCG(i+1), rCG(i+1)) eines zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente (ΘCG(i), xCG(i), rCG(i)) eines ersten Profilschnittes ((i)) gewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Mittelpunktlagenkomponente die Mittelpunktlagenkomponente (ΘCG(i+1), xCG(i+1), rCG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Umfangsrichtung im Wesentlichen gemäß ΘCG(i+1) = ΘCG(i) + Arctan⌊A·(xCG(i+1) – xCG(i))·tanB⌋ + Cgewählt wird, mitwobei (i) eine Größe des ersten Profilschnittes; (i + 1) eine Größe des zweiten Profilschnittes; ΘCG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in Umfangsrichtung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß; xCG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in axialer Richtung; rCG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in radialer Richtung; β einen Staffelungswinkel eines Profilschnittes; und Θlean eine Umfangsneigung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß bezeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine mit gefädelten Profilschnitten, insbesondere ein Schaufelblatt einer Verdichterlaufschaufel, sowie ein Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten eines solchen Schaufelblatts.
Insbesondere, um einzelne Profilschnitte in radialer Richtung an radial über einer Kanalhöhe eines Schaufelgitters variierende Strömungsbedingungen, insbesondere die Strömungsvektoren an Ein- und Austritt, anzupassen, ist es, beispielsweise aus der EP 0 798 447 A2 der Anmelderin und der DE 10 2006 055 869 A1 , bekannt, die dreidimensionale Geometrie (3D-Geometrie) eines Schaufelblattes aus in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Profilschnitten, vorzugsweise 2D-Profilschnitten, aufzubauen, i. e. die Profilschnitte zu fädeln. Beide Druckschriften befassen sich ebenso wie die DE 10 2005 042 115 A1 , die DE 34 41 115 C1 und die DE 10 2005 025 213 A1 mit der Geometrie der einzelnen Profilschnitte, insbesondere deren Skelettlinien.
Insbesondere bei Verdichterlaufschaufeln mit einer Pfeilung in axialer Richtung können infolge einer Fädelung in Umfangsrichtung, i. e. mit in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Profilschnitten, seitliche Biegespannungen im Schaufelblatt auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbessertes Schaufelblatt für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Schaufelblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden Profilschnitte eines Schaufelblatts derart gefädelt, dass eine erste Mittelpunktlagenkomponente eines zweiten Profilschnittes in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente eines ersten Profilschnittes gewählt wird.
Die Mittelpunktslage eines Profilschnittes kann insbesondere die Lage r_C seines Flächenmittelpunktes
mit den Komponenten x_C in axialer, r_C in radialer und Θ_C in Umfangsrichtung und dem Vektor r_dF zum infinitesimalen Element dF der Profilschnittfläche F, vorzugsweise die Lage r_CG seines Massenmittel- bzw. Schwerpunktes
mit den Vektor r_dM zum infinitesimalen Massenelement dM und den entsprechenden Mittelpunktlagenkomponenten x_CG in axialer, r_CG in radialer und Θ_CG in Umfangsrichtung sein, wobei insbesondere auf ein fachübliches Koordinatensystem Bezug genommen ist, dessen Axialkoordinate mit einer Längsachse des Strömungsgitters bzw. der Strömungsmaschine fluchtet.
Erfindungsgemäß wird mm, vorzugsweise rekursiv, wenigstens eine dieser Komponenten, die zur kompakteren Darstellung als erste Mittelpunktlagenkomponente bezeichnet wird, für einen zweiten Profilschnitt in Abhängigkeit von einer oder mehreren Mittelpunktslagenkomponente eines, vorzugsweise in radialer Richtung nach außen vorhergehenden, i. e. radial innenliegenden, ersten Profilschnittes gewählt. Dies ermöglicht eine optimale Fädelung nachfolgender Profilschnitte bezüglich ihrer Mittelpunktslagen.
Dabei werden die einzelnen Profilschnitte, insbesondere ihre Geometrie oder Außenkontur, gemäß einer bevorzugten Ausführung vorab fluid-, insbesondere aerodynamisch ausgelegt, vorzugsweise optimiert, und anschließend erfindungsgemäß, i. e. in Abhängigkeit von Mittelpunktslagenkomponenten eines vorhergehenden Profilschnittes gefädelt. Auf diese Weise kann sowohl fluiddynamischen als auch Festigkeitsanforderungen separat und somit jeweils optimal Rechnung getragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird eine erfindungsgemäß gewählte erste Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes zusätzlich auch in Abhängigkeit von seinem Staffelungswinkel und/oder in Abhängigkeit von einem Staffelungswinkel des ersten Profilschnittes gewählt. Als Staffelungs- bzw. Schaufelwinkel β eines Profilschnittes wird dabei in fachüblicher Weise insbesondere der schaufelanfangs-, oder schaufelendseitige Staffelungswinkel oder der Winkel bezeichnet, den eine Sehne zwischen Schaufelanström- und Schaufelabströmkante oder eine Profilskelettlinie mit einer Gitterebene des Schaufelgitters einschließt.
Zusätzlich oder alternativ kann die erste Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes auch in Abhängigkeit von wenigstens einer anderen, zweiten Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes gewählt werden. Beispielsweise kann, etwa aus fluiddynamischen Gründen, zunächst eine axiale Mittelpunktlage, i. e. eine Mittelpunktlagenkomponente in axialer Richtung, für den zweiten Profilschnitt bestimmt und dann dessen Mittelpunktsumfangslage, i. e. seine Mittelpunktlagenkomponente in Umfangsrichtung, in Abhängigkeit auch von dieser axialen Mittelpunktlage gewählt werden.
Sind beispielsweise die Massemittel- bzw. Schwerpunktlage bzw. -position eines radial inneren ersten Profilschnittes (i) durch seine Lage bzw. Position x_CG(i) in axialer, r_CG(i) in radialer und Θ_CG(i) in Umfangsrichtung sowie sein Staffelungswinkel β_(i) bekannt, und die axiale und radiale Position x_CG(i+1), r_CG(i+1) des Massenmittelpunktes eines radial anschließenden zweiten Profilschnittes (i + 1) sowie sein Staffelungswinkel β_(i+1) vorgegeben, etwa aufgrund fluiddynamischer Bedingungen, so gehorcht gemäß einer bevorzugten Ausführung die Mittelpunktsumfangslage Θ_CG(i+1) des zweiten Profilschnittes (i + 1) wenigstens näherungsweise der Beziehung
wobei „tan” und „Arctan” in üblicher Nomenklatur den Tanges bzw. Arcustangens eines Winkels bezeichnen. Man erkennt, dass der Versatz (Θ_CG(i+1) – Θ_CG(i)) des Schwerpunktes des zweiten Profilschnittes gegenüber dem ersten Profilschnitt in Umfangsrichtung von dem Versatz (x_CG(i+1) – x_CG(i)) in axialer Richtung sowie einem Mittelwert (r_CG(i+1) + r_CG(i))/2 für die radiale Position und einem gemittelten Staffelungswinkel (β_CG(i+1) + β_CG(i))/2 abhängt.
Bevorzugt gehorchen im Wesentlichen alle Profilschnitte des Schaufelblattes wenigstens näherungsweise dieser Beziehung. Insbesondere, um lokale Belastungen auszugleichen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn radial innenliegende Profilschnitte hiervon abweichen. Daher erfüllen vorzugsweise wenigstens radial außenliegende Profilschnitte obige Beziehung, insbesondere alle Profilschnitte ab 35% einer Kanalhöhe des Schaufelgitters, vorzugsweise ab 25% der Kanalhöhe aufwärts.
Zur Vereinfachung kann an Stelle des Mittelwertes (r_CG(i+1) + r_CG(i)/2 auch die radiale Position r_CG(i) bzw. r_CG(i+1) des ersten oder zweiten Profilschnittes verwendet werden, so dass die Mittelpunktsumfangslage Θ_CG(i+1) des zweiten Profilschnittes (i + 1) wenigstens näherungsweise beispielsweise der Beziehung
gehorcht. Zusätzlich oder alternativ kann näherungsweise auch der Staffelungswinkel β_(i) bzw. β_(i+1) des ersten oder zweiten Profilschnittes verwendet werden, so dass die Mittelpunktsumfangslage Θ_CG(i+1) des zweiten Profilschnittes (i + 1) wenigstens näherungsweise beispielsweise der Beziehung
gehorcht.
Beispielsweise, um Fluid-, insbesondere Gaskräfte auszugleichen, kann das Schaufelblatt in Umfangsrichtung um den Winkel Θ_lean geneigt sein. Dann kann der Mittelpunktsumfangslage Θ_CG(i+1) des zweiten Profilschnittes (i + 1) gemäß einer der vorstehend erläuterten Beziehungen der Term
hinzugefügt werden, so dass die Mittelpunktsumfangslage Θ_CG(i+1) des zweiten Profilschnittes (i + 1) wenigstens näherungsweise der Beziehung
gehorcht.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1A eine meridionale Ansicht eines Schaufelblattes mit gefädelten Profilschnitten nach dem Stand der Technik;
1B eine axiale Ansicht des Schaufelblattes der 1A; und
2A, 2B ein Schaufelblatt gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1A bzw. 1B entsprechender Ansicht.
2A, 2B zeigen in meridionaler bzw. axialer Ansicht ein Schaufelblatt 1 einer Verdichterlaufschaufel gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Exemplarisch sind einige gefädelte Profilschnitte eingezeichnet, von denen ein zweiter mit „i + 1” bezeichnet ist.
Zur Erzeugung der 3D-Geometrie dieses Schaufelblattes werden die einzelnen Profilschnitte zunächst unter aerodynamischen Gesichtspunkten erzeugt, indem beispielsweise ihre Skelettlinie und ihre Konstruktionskreise vorgegeben bzw. optimiert werden. Anschließend werden rekursiv, beginnend mit einem radial innersten Profilschnitt am Grund des Strömungskanals, auch die axialen Schwerpunktlagen der Profilschnitte vorgegeben. Für jeden Profilschnitt wenigstens ab 25% der Höhe des Kanals aufwärts (von unten nach oben in 2) wird seine Schwerpunktlage in Umfangsrichtung gemäß der Beziehung (2) oder (2''') gewählt, so dass sich schließlich die komplette, sowohl in aerodynamischer als auch in Festigkeitshinsicht optimale 3D-Geometrie dieses Schaufelblattes ergibt, ohne dass hierzu zeit- und kostenintensive Aero-Festigkeitsiterationen durchgeführt werden müssen.
Im Vergleich mit dem in entsprechender Ansicht in den 1A, 1B dargestellten Schaufelblatt 1' nach dem Stand der Technik erkennt man den günstigeren, gekrümmten Verlauf der Schwerpunktlagen, die in den Figuren durch eine Linie S bzw. S' verbunden sind, über der Kanalhöhe.
Bezugszeichenliste

1, 1': Schaufelblatt einer Verdichterlaufschaufel
i + 1: Profilschnitt
S, S': Linie durch Schwerpunkte der Profilschnitte

Claims

Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten ((i), (i + 1)) eines Schaufelblatts (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1), x_CG(i+1), r_CG(i+1)) eines zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente (Θ_CG(i), x_CG(i), r_CG(i)) eines ersten Profilschnittes ((i)) gewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Mittelpunktlagenkomponente die Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1), x_CG(i+1), r_CG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Umfangsrichtung im Wesentlichen gemäß Θ_CG(i+1) = Θ_CG(i) + Arctan⌊A·(x_CG(i+1) – x_CG(i))·tanB⌋ + C gewählt wird, mit
wobei (i) eine Größe des ersten Profilschnittes; (i + 1) eine Größe des zweiten Profilschnittes; Θ_CG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in Umfangsrichtung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß; x_CG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in axialer Richtung; r_CG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in radialer Richtung; β einen Staffelungswinkel eines Profilschnittes; und Θ_lean eine Umfangsneigung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1), x_CG(i+1), r_CG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Abhängigkeit von einem Staffelungswinkel (β_(i), β_(i+1)) des ersten und/oder zweiten Profilschnittes ((i), (i + 1)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1), x_CG(i+1), r_CG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Abhängigkeit von wenigstens einer zweiten Mittelpunktlagenkomponente (x_CG(i+1), r_CG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1), x_CG(i+1), r_CG(i+1)) des zweiten Profilschnittes ((i + 1)) rekursiv in Abhängigkeit von dem, vorzugsweise radial nach außen vorhergehenden, ersten Profilschnitt ((i)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Profilschnitt vor dem Fädeln fluiddynamisch ausgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunktumfangsposition (Θ_CG(i+1)) für alle Profilschnitte ((i + 1)) gemäß Θ_CG(i+1) = Θ_CG(i) + Arctan⌊A·(x_CG(i+1) – x_CG(i))·tanB⌋ + C gewählt wird, für die die Differenz (r_CG(i+1) – r_CG(1)) zwischen ihrer und einer Mittelpunktlagenkomponente in radialer Richtung eines radial innenliegenden Kanalgrundes wenigstens 35%, insbesondere wenigstens 25% einer Kanalhöhe des Schaufelgitters beträgt.
Schaufelblatt (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine, mit einer Mehrzahl gefädelter Profilschnitte ((i), (i + 1)), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1)) eines zweiten Profilschnittes ((i + 1)) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gewählt ist.
Schaufelblatt (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine mit einer Mehrzahl gefädelter Profilschnitte ((i), (i + 1)), dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelpunktlagenkomponente (Θ_CG(i+1)) eines zweiten Profilschnittes ((i + 1)) in Umfangsrichtung wenigstens näherungsweise der Beziehung Θ_CG(i+1) = Θ_CG(i) + Arctan⌊A·(x_CG(i+1) – x_CG(i))·tanB⌋ + C mit
genügt.
Schaufelblatt (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (1) eine Krümmung in Umfangsrichtung und/oder eine Pfeilung in axialer Richtung aufweist.