DE102012207735A1

DE102012207735A1 - Schaufelgitter einer Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE102012207735A1
Application number: DE201210207735
Authority: DE
Inventors: Lutz Aurahs
Original assignee: MAN Diesel and Turbo SE
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2013-11-14

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 der US 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 der 1 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 und 2 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines als rotorseitiges Laufschaufelgitter ausgebildeten Schaufelgitters 10 einer axial durchströmten Strömungsmaschine. Das Schaufelgitter 10 verfügt über mehrere Schaufeln 11. Jede Schaufel 11 verfügt über ein Schaufelblatt 19 mit einer Strömungseintrittskante 12, einer Strömungsaustrittskante 13, einer Saugseite 14 und einer Druckseite 15, wobei sich die Saugseite 14 und die Druckseite 15 jeweils zwischen der Strömungseintrittskante 12 und der Strömungsaustrittskante 13 der jeweiligen Schaufel 11 bzw. des jeweiligen Schaufelblatts erstrecken.
Bei dem in 1 und 2 gezeigten Laufschaufelgitter ist zumindest im Bereich der Strömungseintrittskante 12 jeder Schaufel 11 benachbart zu einer Nabe 16 ein Schaufelvorderkantenfillet 17 ausgebildet. Wie 1 entnommen werden kann, erstreckt sich das Fillet ringsum um die jeweilige Schaufel 11 herum, wobei die Erfindung eine strömungstechnisch optimale Ausgestaltung des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 und damit eine optimale Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets 17 betrifft. In 1 sind neben der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Schaufelkantenvorderfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 auch die aus dem Stand der Technik bekannte Ausgestaltung des umlaufenden Fillets 17' und des Schaufelblatts 19 der jeweiligen in karierter Lienenführung dargestellt.
Wie 2 entnommen werden kann, ist das Schaufelvorderkantenfillet 17 der Schaufeln 11 des Schaufelgitters 10 der 1 durch zwei Kenngrößen charakterisiert, nämlich einerseits durch eine sich ausgehend von der Nabe 16 nach radial außen in Radialrichtung erstreckende Höhe δ₁ sowie durch eine sich ausgehend von der Strömungseintrittskante 12 in Axialrichtung entgegensetzt zur Durchströmungsrichtung des Schaufelgitters 10 erstreckende Länge δ₂.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die Höhe δ₁ des Schaufelvorderkantenfllets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 der jeweiligen Schaufel 11 größer als eine fluiddynamische Grenzschichtdicke oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke einer das Schaufelgitter 10 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 Nabe 16 oder einem Gehäuse oder einem Deckband verstanden wird, in welchem die das Schaufelgitter 10 durchströmende Strömung ausgehend von der Nabe 16 oder dem Gehäuse oder dem Deckband auf einen definierten Betrag, zum auf Beispiel 99%, der Strömungsgeschwindigkeit der Hauptströmung durch das Schaufelgitter 10 angestiegen ist.
Die Höhe δ₁ des Schaufelvorderkantenfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 ist demnach größer oder gleich der fluiddynamischen Grenzschichtdicke im Bereich der Strömungseintrittskante 12 und damit im Bereich eines sogenannten Schaufelpassageneintritts.
Die Länge δ₂ des Schaufelvorderkantenfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12, die ausgehend von der Strömungseintrittskante 12 in Axialrichtung entgegengesetzt zur Durchströmungsrichtung des Schaufelgitters 10 gemessen wird, ist größer als eine axiale Erstreckung eines sogenannten Rückströmgebiets oder gleich der axialen Erstreckung des Rückströmgebiets des Schaufelgitters 10 im Bereich der jeweiligen Schaufel 11, wobei es sich bei diesem Rückströmgebiet um dasjenige Rückströmgebiet handelt, welches sich ohne das erfindungsgemäße Schaufelvorderkantenfillets 17 stromaufwärts der Strömungseintrittskante 12 der jeweiligen Schaufel 11 ausbilden würde.
Die durch erfindungsgemäße Ausgestaltung des Schaufelvorderkantenfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 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 Schaufelvorderkantenfillets 17. Hierdurch können Strömungsverluste reduziert oder gar vollständig eliminiert werden.
Eine sich in Axialrichtung erstreckende Strömungskontur 18 des Schaufelvorderkantenfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 steigt in Durchströmungsrichtung gesehen (siehe 2) in Richtung auf die Strömungseintrittskante 12 der jeweiligen Schaufel 11 rampenartig an, wobei dieser rampenartige Anstieg der Strömungskontur 18 des Schaufelvorderkantenfillets 17 bzw. des Fillets im Bereich der Strömungseintrittskante 12 entweder linear oder parabolisch erfolgen kann.
Ein Verhältnis δ₁/δ₂ aus der Höhe δ₁ des jeweiligen Schaufelvorderkantenfillets 17 der jeweiligen Schaufel 11 und der Länge δ₂ des jeweiligen Schaufelvorderkantenfillets 17 der jeweiligen Schaufel 11 ist relativ groß, wenn die Saugseite 14 und die Druckseite 15 der jeweiligen Schaufel 11 relativ stark gewölbt sind. Dann hingegen, wenn die Saugseite 14 und die Druckseite 15 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 und 2 für ein rotorseitiges Laufschaufelgitter 10 und nabenseitige Schaufelvorderkantenfillets 17 der Laufschaufeln 11 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
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Zitierte Patentliteratur

US 6478539 B1 [0002, 0002]

Claims

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.