DE102012207735A1 - Schaufelgitter einer Strömungsmaschine - Google Patents
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Abstract
Schaufelgitter (10) einer axial durchströmten Strömungsmaschine, mit mehreren Schaufeln (11), wobei jede Schaufel (11) ein Schaufelblatt (19) mit einer Strömungseintrittskante (12), einer Strömungsaustrittskante (13), einer Saugseite (14) und einer Druckseite (15) aufweist, wobei im Bereich der Strömungseintrittskante (12) jeder Schaufel (11) in einem Übergangsbereich des Schaufelblatts (19) der jeweiligen Schaufel (11) zu einer Nabe (16) oder zu einem Deckband oder zu einem Gehäuse ein Schaufelvorderkantenfillet (17) mit einer sich ausgehend von der Nabe (16) oder dem Deckband oder dem Gehäuse in Radialrichtung ersteckenden Höhe (δ1) und einer sich ausgehend der Strömungseintrittskante (12) in Axialrichtung entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung erstreckenden Länge (δ2) ausgebildet ist, wobei die Höhe (δ1) des Schaufelvorderkantenfillets (17) der jeweiligen Schaufel (11) größer oder gleich einer fluiddynamischen Grenzschichtdicke ist, und wobei die Länge (δ2) des Schaufelvorderkantenfillets (17) der jeweiligen Schaufel (11) größer oder gleich einem Rückströmgebiet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Aus der
US 6,478,539 B1 ist ein Schaufelgitter einer als Gasturbine ausgebildeten Strömungsmaschine bekannt, nämlich ein rotorseitiges Laufschaufelgitter, welches mehrere Laufschaufeln umfasst, die an einem Rotorgrundkörper, der eine Nabe bereitstellt, angreifen. Jede der Laufschaufeln verfügt über ein Schaufelblatt mit einer Strömungseintrittskante, einer Strömungsaustrittskante, einer Saugseite sowie einer Druckseite, wobei in einem Übergangsbereich zwischen der Nabe und dem Schaufelblatt der jeweiligen Laufschaufel ein sogenanntes Fillet ausgebildet ist. Nach derUS 6,478,539 B1 erstreckt sich das jeweilige Fillet ringsum die jeweilige Laufschaufel herum. Der Abschnitt des Fillets, der sich benachbart zur Schaufelvorderkante der jeweiligen Laufschaufel erstreckt, wird auch als Schaufelvorderkantenfillet bezeichnet. Im Unterschied zu diesem Stand der Technik ist es möglich, dass sich das Fillet nicht ringsum die jeweilige Schaufel herum erstreckt, sondern dass lediglich im Bereich der Strömungseintrittskante das Schaufelvorderkantenfillet ausgebildet ist. - Bei bekannten Schaufelgittern bildet sich im Bereich des Schaufelvorderkantenfillets im Betrieb bzw. bei Durchströmung ein sogenannter Hufeisenwirbel aus, welcher Strömungsverluste verursacht. Dies ist von Nachteil.
- Hievon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Schaufelgitter einer Strömungsmaschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Schaufelgitter gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Erfindungsgemäß ist die Höhe des Schaufelvorderkantenfillets der jeweiligen Schaufel größer oder gleich einer fluiddynamischen Grenzschichtdicke, wobei die Länge des Schaufelvorderkantenfillets der jeweiligen Schaufel größer oder gleich einem Rückströmgebiet ist.
- Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets der Schaufeln des Schaufelgitters, nämlich durch die Dimensionierung der Höhe und der Länge desselben, kann ein sich bei Durchströmung des Schaufelgitters einstellender Hufeisenwirbel reduziert oder gar vollständig eliminiert werden, wodurch die mit den Hufeisenwirbel verbundenen Strömungsverluste reduziert oder sogar vollständig vermieden werden können.
- Vorzugsweise ist die Höhe des Schaufelvorderkantenfillets größer als die fluiddynamische Grenzschichtdicke oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke im Bereich der Strömungseintrittskante, wobei die Länge des Schaufelvorderkantenfillets größer als eine axiale Erstreckung oder gleich der axialen Erstreckung des sich ohne das Schaufelvorderkantenfillet ausbildenden Rückströmgebiets ist. Diese Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets ist strömungstechnisch besonders vorteilhaft.
- Die sich in Axialrichtung erstreckende Kontur des Schaufelvorderkantenfillets in Durchströmungsrichtung steigt rampenartig an, insbesondere linear oder parabolisch. Diese Konturierung der sich in Axialrichtung erstreckender Strömungskontur des Schaufelvorderkantenfillets ist strömungstechnisch besonders vorteilhaft.
- Vorzugsweise ist ein Verhältnis aus der Höhe des Schaufelvorderkantenfillets und der Länge des Schaufelvorderkantenfillets relativ groß, wenn die Saugseite und die Druckseite relativ stark gewölbt sind, wobei das Verhältnis aus der Höhe des Schaufelvorderkantenfillets und der Länge des Schaufelvorderkantenfillets relativ klein ist, wenn die Saugseite und die Druckseite relativ gering gewölbt sind.
- Eine solche Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets abhängig von der Wölbung der Saugseite und der Druckseite der jeweiligen Schaufel erlaubt eine optimale Abstimmung desselben an die Kontur des Schaufelblatts der jeweiligen Schaufel und damit optimale Durchströmungsverhältnisse für das Schaufelgitter.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 : einen perspektivischen Ausschnitt aus einem rotorseitigen Laufschaufelgitter, und -
2 : ein Detail der1 in Umfangsblickrichtung. - Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelgitter einer axial durchströmten Strömungsmaschine, so zum Beispiel ein Schaufelgitter einer Turbine oder eines Verdichters. Beim erfindungsgemäßen Schaufelgitter kann es sich um ein rotorseitiges Laufschaufelgitter oder auch um ein statorseitiges Leitschaufelgitter handeln.
-
1 und2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines als rotorseitiges Laufschaufelgitter ausgebildeten Schaufelgitters10 einer axial durchströmten Strömungsmaschine. Das Schaufelgitter10 verfügt über mehrere Schaufeln11 . Jede Schaufel11 verfügt über ein Schaufelblatt19 mit einer Strömungseintrittskante12 , einer Strömungsaustrittskante13 , einer Saugseite14 und einer Druckseite15 , wobei sich die Saugseite14 und die Druckseite15 jeweils zwischen der Strömungseintrittskante12 und der Strömungsaustrittskante13 der jeweiligen Schaufel11 bzw. des jeweiligen Schaufelblatts erstrecken. - Bei dem in
1 und2 gezeigten Laufschaufelgitter ist zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante12 jeder Schaufel11 benachbart zu einer Nabe16 ein Schaufelvorderkantenfillet17 ausgebildet. Wie1 entnommen werden kann, erstreckt sich das Fillet ringsum um die jeweilige Schaufel11 herum, wobei die Erfindung eine strömungstechnisch optimale Ausgestaltung des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 und damit eine optimale Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets17 betrifft. In1 sind neben der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Schaufelkantenvorderfillets17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 auch die aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltung des umlaufenden Fillets17' und des Schaufelblatts19 der jeweiligen in karierter Lienenführung dargestellt. - Wie
2 entnommen werden kann, ist das Schaufelvorderkantenfillet17 der Schaufeln11 des Schaufelgitters10 der1 durch zwei Kenngrößen charakterisiert, nämlich einerseits durch eine sich ausgehend von der Nabe16 nach radial außen in Radialrichtung erstreckende Höhe δ1 sowie durch eine sich ausgehend von der Strömungseintrittskante12 in Axialrichtung entgegensetzt zur Durchströmungsrichtung des Schaufelgitters10 erstreckende Länge δ2. - Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die Höhe δ1 des Schaufelvorderkantenfllets
17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 der jeweiligen Schaufel11 größer als eine fluiddynamische Grenzschichtdicke oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke einer das Schaufelgitter10 durchströmenden Strömung. Der Begriff der Grenzschicht bzw. Grenzschichtdicke ist dem hier angesprochenen Fachmann geläufig. Es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass unter der Grenzschichtdicke derjenige radiale Abstand von der Nabe16 oder einem Gehäuse oder einem Deckband verstanden wird, in welchem die das Schaufelgitter10 durchströmende Strömung ausgehend von der Nabe16 oder dem Gehäuse oder dem Deckband auf einen definierten Betrag, zum auf Beispiel 99%, der Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung durch das Schaufelgitter10 angestiegen ist. - Die Höhe δ1 des Schaufelvorderkantenfillets
17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 ist demnach größer oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke im Bereich der Strömungseintrittskante12 und damit im Bereich eines sogenannten Schaufelpassageneintritts. - Die Länge δ2 des Schaufelvorderkantenfillets
17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 , die ausgehend von der Strömungseintrittskante12 in Axialrichtung entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung des Schaufelgitters10 gemessen wird, ist größer als eine axiale Erstreckung eines sogenannten Rückströmgebiets oder gleich der axialen Erstreckung des Rückströmgebiets des Schaufelgitters10 im Bereich der jeweiligen Schaufel11 , wobei es sich bei diesem Rückströmgebiet um dasjenige Rückströmgebiet handelt, welches sich ohne das erfindungsgemäße Schaufelvorderkantenfillets17 stromaufwärts der Strömungseintrittskante12 der jeweiligen Schaufel11 ausbilden würde. - Die durch erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets
17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 wird erreicht, dass ein sich nach dem Stand der Technik ausbildender Hufeisenwirbel reduziert oder gar vollständig eliminiert wird. Eine mögliche Rückströmung erfolgt ausschließlich im Bereich des Schaufelvorderkantenfillets17 . Hierdurch können Strömungsverluste reduziert oder gar vollständig eliminiert werden. - Eine sich in Axialrichtung erstreckende Strömungskontur
18 des Schaufelvorderkantenfillets17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 steigt in Durchströmungsrichtung gesehen (siehe2 ) in Richtung auf die Strömungseintrittskante12 der jeweiligen Schaufel11 rampenartig an, wobei dieser rampenartige Anstieg der Strömungskontur18 des Schaufelvorderkantenfillets17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante12 entweder linear oder parabolisch erfolgen kann. - Ein Verhältnis δ1/δ2 aus der Höhe δ1 des jeweiligen Schaufelvorderkantenfillets
17 der jeweiligen Schaufel11 und der Länge δ2 des jeweiligen Schaufelvorderkantenfillets17 der jeweiligen Schaufel11 ist relativ groß, wenn die Saugseite14 und die Druckseite15 der jeweiligen Schaufel11 relativ stark gewölbt sind. Dann hingegen, wenn die Saugseite14 und die Druckseite15 relativ gering gewölbt sind, ist dieses Verhältnis δ1/δ2 relativ klein. - Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung der Erfindung, in welcher das jeweilige Verhältnis δ1/δ2 aus der Höhe δ1 des Schaufelvorderkantenfillets
17 und der Länge δ2 desselben größer/gleich 2 ist (δ1/δ2 ≥ 2). - Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf
1 und2 für ein rotorseitiges Laufschaufelgitter10 und nabenseitige Schaufelvorderkantenfillets17 der Laufschaufeln11 desselben beschrieben wurde, kann bei die Erfindung auch bei einem statorseitigen Leitschaufelgitter zum Einsatz kommen, und zwar sowohl im Bereich eines deckbandseitigen Schaufelvorderkantenfillets oder eines gehäuseseitigen Schaufelvorderkantenfillets der oder jeder Leitschaufel des Leitschaufelgitters. Ferner kann die Erfindung bei deckbandseitigen Schaufelvorderkantenfillets eines rotorseitigen Laufschaufelgitters genutzt werden. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schaufelgitter
- 11
- Schaufel
- 12
- Strömungseintrittskante
- 13
- Strömungsaustrittskante
- 14
- Saugseite
- 15
- Druckseite
- 16
- Nabe
- 17
- Schaufelvorderkantenfillet
- 18
- Strömungskontur
- 19
- Schaufelblatt
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 6478539 B1 [0002, 0002]
Claims (10)
- Schaufelgitter (
10 ) einer axial durchströmten Strömungsmaschine, mit mehreren Schaufeln (11 ), wobei jede Schaufel (11 ) ein Schaufelblatt (19 ) mit einer Strömungseintrittskante (12 ), einer Strömungsaustrittskante (13 ), einer Saugseite (14 ) und einer Druckseite (15 ) aufweist, wobei im Bereich der Strömungseintrittskante (12 ) jeder Schaufel (11 ) in einem Übergangsbereich des Schaufelblatts (19 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) zu einer Nabe (16 ) oder zu einem Deckband oder zu einem Gehäuse ein Schaufelvorderkantenfillet (17 ) mit einer sich ausgehend von der Nabe (16 ) oder dem Deckband oder dem Gehäuse in Radialrichtung ersteckenden Höhe (δ1) und einer sich ausgehend der Strömungseintrittskante (12 ) in Axialrichtung entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung erstreckenden Länge (δ2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (δ1) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) größer oder gleich einer fluiddynamischen Grenzschichtdicke ist, und dass die Länge (δ2) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) größer oder gleich einem Rückströmgebiet ist. - Schaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (δ1) des Schaufelvorderkantenfillets (
17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) größer als die fluiddynamische Grenzschichtdicke oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke im Bereich der Strömungseintrittskante (12 ) ist. - Schaufelgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (δ2) des Schaufelvorderkantenfillets (
17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) größer als die axiale Erstreckung oder gleich der axialen Erstreckung des sich ohne das Schaufelvorderkantenfillet (17 ) ausbildenden Rückströmgebiets ist. - Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich in Axialrichtung erstreckende Strömungskontur (
18 ) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) in Durchströmungsrichtung rampenartig ansteigt. - Schaufelgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in Axialrichtung erstreckende Strömungskontur (
18 ) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) in Durchströmungsrichtung linear ansteigt. - Schaufelgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in Axialrichtung erstreckende Strömungskontur (
18 ) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) in Durchströmungsrichtung parabolisch ansteigt. - Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis δ1/δ2 aus der Höhe (δ1) des Schaufelvorderkantenfillets (
17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) und der Länge (δ2) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) relativ groß ist, wenn die Saugseite (14 ) und die Druckseite (15 ) relativ stark gewölbt sind, und dass das Verhältnis δ1/δ2 relativ klein ist, wenn die Saugseite (14 ) und die Druckseite (15 ) relativ gering gewölbt sind. - Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis δ1/δ2 aus der Höhe (δ1) des Schaufelvorderkantenfillets (
17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) und der Länge (δ2) des Schaufelvorderkantenfillets (17 ) der jeweiligen Schaufel (11 ) ≥ 2 ist. - Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe ein rotorseitiges Laufschaufelgitter ist.
- Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe ein statorseitiges Leitschaufelgitter ist.
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DE102012207735A1 true DE102012207735A1 (de) | 2013-11-14 |
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