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Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter mit einem Kranz von Schaufeln, deren radial äußere und/oder innere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen.
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Bei der Durchströmung von Leit- und Laufschaufelgittern von Turbomaschinen kommt es zu Verlusten, welche den Wirkungsgrad der Schaufelreihen und damit auch der gesamten Maschine begrenzen. Strömungsverluste sind einerseits Reibungsverluste an den Oberflächen (Schaufel- sowie Naben- und Gehäusewände) und Verlust aufgrund von Sekundärströmungen im Randzonenbereich der Schaufelgitter. Die Verringerung der Strömungsverluste ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung auf dem Gebiet der Verdichtertechnologie, da vor dem Hintergrund einer immer weiter steigenden Nachfrage einer Energie und eines stetig zunehmenden Flugverkehrsaufkommens die Belastung der Umwelt mit CO2 nur durch effizientere Gasturbinen und Flugtriebwerke entgegengewirkt werden kann.
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Bei der Auslegung von transsonischen Profilen für Axialverdichter beruht die klassische Auslegung darauf, dass der maximale Wirkungsgrad bei einer 0°-Inzidenz (gerade Anströmung) besteht. Die Rotorprofile sind im transsonischen Bereich sehr gerade und erhöhen das Totaldruckverhältnis hauptsächlich durch Geschwindigkeitsreduktion des Verdichtungsstoßes. Die derzeitige Auslösung beruht darauf, möglichst lokale Ablösungen zu vermeiden, so dass derzeitige transsonische Schaufelprofile kaum Umlenkung aufzeigen. Ein derartiges Schaufelprofil ist aus
US 3,820,918 A bekannt.
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US 2011/0206527 A1 zeigt subsonische Schaufelprofile mit Skelettlinien, deren Krümmung sich im Verlauf ändert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialverdichter der eingangs genannten Art mit einem transsonischen Schaufelprofil zu stellen, das einen höheren Wirkungsgrad und ein höheres Totaldruckverhältnis über möglichst den gesamten Arbeitsbereich aufweist.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Axialverdichter weist ein Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln auf, deren radial äußere und/oder innere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind, und die jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen, wobei jede Schaufel ein transsonisches Schaufelprofil aufweist, wobei das transsonische Schaufelprofil eine in einem Winkel β zu einer Verdichterachse verlaufende Skelettlinie aufweist. Dabei muss der Winkel β nicht notwendigerweise konstant sein, sondern über die Schaufellänge kann sich der Winkel β ändern, so dass das Schaufelprofil eine Krümmung aufweisen kann.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Skelettlinie im Anströmungsbereich eine größere Krümmung aufweist als in einem Mittelbereich.
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Mit anderen Worten: Der Winkel β der Skelettlinie zu der Verdichterachse ist in dem Anströmungsbereich größer als in dem Mittelbereich, so dass die Schaufel zu der Anströmkante hin gekrümmt ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem derartigen transsonischen Schaufelprofil erreicht wird, dass der Staupunkt auf die Saugseite verschoben wird. Es hat sich ferner herausgestellt, obwohl eine derartige Ausgestaltung des Schaufelprofils zu lokalen Ablösungen führen kann, dennoch ein höherer Wirkungsgrad und ein höheres Totaldruckverhältnis erreicht werden kann. Im Auslegungspunkt liegt durch die den etwas stärker gekrümmten Anströmungsbereich eine hohe negative Inzidenz vor. Dadurch wird die Grenzschichtdicke von der Anströmkante bis zum Stoß reduziert. Die Stoß-Grenzschicht-Interaktion ist folglich verlustärmer. Dies ermöglicht eine größere Umlenkung im subsonischen Teil des Verdichtungsgitters. Der Verlust auf der Druckseite wird durch ein höheres Totaldruckverhältnis kompensiert.
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Es ist vorgesehen, dass die Skelettlinie in einem Abströmungsbereich eine größere Krümmung aufweist als in dem Mittelbereich. Mit anderen Worten: Der Winkel β der Skelettlinie zu der Verdichterachse ist kleiner als im Mittelbereich. Eine Ausgestaltung des transsonischen Schaufelprofils mit einem ebenfalls gekrümmten Abströmungsbereich für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads und Totaldruckverhältnisses über den gesamten Arbeitsbereich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Simulationen haben gezeigt, dass durch die Ausgestaltung des transsonischen Schaufelprofils mit einem gekrümmten Anströmungsbereich und einem gekrümmten Abströmungsbereich eine Steigung des Totaldrucks im Auslegungspunkt um beispielsweise bis zu 17,5% erreicht werden kann, wobei der Wirkungsgrad im Auslegungspunkt um bis zu 0,8% gesteigert werden kann. Das entwickelte Schaufelprofil ist besonders effizient im Bereich der Betriebsgrenze.
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Bei der Betrachtung der Strömungsgeschwindigkeiten an dem erfindungsgemäßen Profil hat sich herausgestellt, dass das Beschleunigungsgebiet im Anströmungsbereich weitaus verlustärmer ist. Die Verzögerung im Abströmungsbereich ist weitaus größer als bei herkömmlichen Profilen, wodurch der Totaldruck gesteigert werden kann.
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Die Krümmung der Skelettlinie im Anströmungsbereich und/oder im Abströmungsbereich ist nicht notwendigerweise konstant. Die Winkelveränderung der Skelettlinie kann auch zu der Anströmkante bzw. Abströmkante hin zunehmen. Mit anderen Worten, die Krümmung nimmt in diesen Bereichen zu der Anström- bzw. Abströmkante hin zu.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich der Anströmungsbereich von der Anströmkante bis zu einer relativen Profillänge von 0,2, vorzugsweise 0,15, erstreckt. Mit anderen Worten: Die stärkere Krümmung zu der Anströmkante hin ist auf einen Bereich beschränkt, der maximal 20% der Profillänge ausmacht.
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Ferner kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass sich der Abströmungsbereich von einer relativen Profillänge von 0,6 bis zur Anströmkante erstreckt. Mit anderen Worten: Der Abströmungsbereich ist auf einen Abschnitt beschränkt der die letzten 40% der Profillänge ausmacht.
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Vorzugsweise erstreckt sich somit der Mittelbereich der Profillänge zwischen 20% und 60% der Profillänge. Eine derartige Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Skelettlinie im Mittelbereich einen Winkel β = x zu der Verdichterachse aufweist und in dem Anströmbereich für den Winkel β gilt: x < β ≤ x + 10°. Der Winkel β nimmt vorzugsweise zu der Anströmkante hin zu. Beispielsweise kann die Skelettlinie im Bereich der Abströmkante einen Winkel β = x + 8° zu der Verdichterachse aufweisen, wobei der Winkel β mit Zunahme der Profillänge bis zum Ende des Anströmungsbereichs auf beispielsweise β = x verringert wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Abströmungsbereich für den Winkel β gilt: x – 35° ≤ β < x. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass am Anfang des Abströmungsbereichs, also beispielsweise bei 60% der Profillänge, der Winkel β der Skelettlinie x zu der Verdichterachse beträgt und in dem Abströmungsbereich zu der Abströmkante hin sich auf x – 32° verringert.
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In dem Mittelbereich ist der Winkel β der Skelettlinie zu der Verdichterachse vorzugsweise konstant, bzw. bewegt sich in einem Bereich von maximal 1° bis 2°.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zweier Schaufeln, die mit einer Endwand verbunden sind,
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2 eine schematische Schnittdarstellung des Abschnitts mit transsonischem Schaufelprofil und
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3 das Verhältnis des Winkels β der Skelettlinie zu der relativen Schaufellänge.
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In 1 ist eine schematische Darstellung zweier Schaufeln 10 dargestellt. Die zwei Schaufeln 10 bilden zusammen mit weiteren Schaufeln einen Kranz und stehen von einer Nabe radial ab. Die Nabe bildet eine ringförmige Endwand 16. Die Endwand 16 bildet zusammen mit den Schaufeln 10 das sogenannte Verdichtungsgitter eines Rotors. In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Endwand 16 von einer Gehäusewand gebildet, von der die Schaufeln 10 radial nach innen abstehen oder die Schaufeln 10 sind mit der Nabe und der Gehäusewand verbunden, so dass jede Schaufel 10 zwei Endwände besitzt.
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Jede Schaufel 10 hat eine vordere Anströmkante 12 und eine hintere Anströmkante 13. Die Unterseite bildet eine Druckseite 14 und die Oberseite eine Saugseite 15. Bei dem in 1 dargestellten Rotor rotiert das gesamte Schaufelgitter. Bei dem nicht dargestellten Stator ist das gesamte Schaufelgitter ortsfest und es wird von einer Luftströmung angeströmt.
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Die Schaufeln 10 weisen ein transsonisches Schaufelprofil auf.
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Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, verläuft eine Skelettlinie 22 in einem Winkel β zu der Maschinenachse 20.
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Das in 2 dargestellte transsonische Schaufelprofil besitzt einen Anströmungsbereich 24, der sich von der Anströmkante 12 bis etwa 20% der relativen Schaufellänge erstreckt, einen Mittelbereich 26 sowie einen Abströmungsbereich 28, wobei sich der Abströmungsbereich 28 von etwa 60% der relativen Schaufellänge bis zur Abströmkante 13 erstreckt.
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In dem Mittelbereich 26 ist der Winkel β der Skelettlinie 22 nahezu konstant und beträgt etwa 62°.
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Wie am besten aus 3 ersichtlich ist, in der der Winkel β der Skelettlinie 22 über die relative Schaufellänge dargestellt ist, ist die Schaufel in dem Anströmungsbereich 24 und in dem Abströmungsbereich 28 stärker gekrümmt als in dem Mittelbereich 26.
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In dem Anströmungsbereich 24 besitzt die Skelettlinie 22 in dem Bereich direkt an der Anströmkante 12 einen Winkel von etwa 70° und besitzt eine Krümmung, wodurch der Winkel β der Skelettlinie 22 bis zum Mittelbereich hin auf etwa 62° absinkt. In dem Abströmungsbereich besitzt die Schaufel 10 eine Krümmung, bei der der Winkel β vom Ende des Mittelbereichs 26 aus von 62° auf etwa 30° reduziert wird.
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Durch die Krümmung in dem Anströmungsbereich 24 wird erreicht, dass der Staupunkt auf der Saugseite 15 liegt. Ferner liegt im Auslegungspunkt eine hohe negative Inzidenz vor. Dadurch wird die Grenzschichtdicke von der Anströmkante 12 bis zum Stoß reduziert, wodurch die Stoß-Grenzschicht-Interaktion verlustärmer ist.
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Das Schaufelprofil der Schaufel 10 ist derart ausgelegt, dass die Profilsehne 30, die die Anströmkante 12 mit der Abströmkante 13 verbindet, vollständig außerhalb der Schaufel 10 liegt. Dies bedeutet, dass in dem Anströmungsbereich 24, dem Mittelbereich 26 und dem Abströmungsbereich 28 das Schaufelprofil sehr schmal ausgestaltet ist, so dass die Krümmungen in dem Anströmungsbereich 24 und dem Abströmungsbereich 28 ausreichen, um die Profilsehne 30 außerhalb der Schaufel 10 verlaufen zu lassen.
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Das erfindungsgemäße Schaufelprofil ermöglicht, dass ein höherer Wirkungsgrad und ein höheres Totaldruckverhältnis über den gesamten Arbeitsbereich erreicht werden. Dabei werden lokale Ablösungen in Kauf genommen. Obwohl Verluste auf der Druckseite 14 auftreten, können diese durch ein höheres Totaldruckverhältnis kompensiert werden. Messungen haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Schaufelprofil einen Anstieg des Totaldrucks im Auslegungspunkt um 17,5% ermöglicht. Der Wirkungsgrad im Auslegungspunkt kann um bis zu 0,8% gesteigert werden, im Bereich der Betriebsgrenzen ist sogar ein noch größerer Wirkungsgradzuwachs möglich. Das erfindungsgemäße Schaufelprofil ist besonders im Bereich der Betriebsgrenze vorteilhaft.
