DE102019219106A1

DE102019219106A1 - Axialströmungsturbomaschine und schaufel

Info

Publication number: DE102019219106A1
Application number: DE102019219106.1A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Takeda; Chihiro MYOREN; Tadashi MURAKATA
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-06-10
Also published as: CN111287800B; RU2727949C1; US20200182061A1; CN111287800A; US11242755B2; JP7162514B2; JP2020090953A

Abstract

Es ist eine Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine vorgesehen, die folgendes umfasst: ein Schaufelprofil; eine Stirnwand mit einer Strömungswegwandfläche, die mindestens auf einer Nabenseite des Schaufelprofils angeordnet ist und einen Teil eines ringförmigen Strömungsweges eines Arbeitsmediums abgrenzen kann; und eine Verrundung, die an der Grenze zwischen dem Schaufelprofil und der Strömungswegwandfläche angeordnet ist. Die Verrundung ist außen so geformt, dass sie eine bogenförmig gekrümmte Fläche mit einem Radius von R aufweist, betrachtet in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche und der Schaufelfläche des Schaufelprofils. Ein schmaler Abschnitt auf der Strömungswegwandfläche ist so konfiguriert, dass der Abstand d zwischen der Außenkante einer Projektion des Schaufelprofils auf die Strömungswegwandfläche und der Außenkante der Strömungswegwandfläche kleiner als der Maximalwert des Radius R der Verrundung ist. Das obere Ende der Verrundung ist im schmalen Abschnitt niedriger positioniert als in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt, und das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche fällt mit der Strömungswegwandfläche entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofils zusammen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Axialströmungsturbomaschine und ihre Schaufel.
Beschreibung zum Stand der Technik
Schaufel, die beispielsweise in JP-2010-156338 vorgestellt wurde - bekannt als Schaufel, die in einer Axialströmungsturbomaschine enthalten ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Axialströmungsturbomaschine umfasst eine Verrundung (bzw. Hohlkehle oder Ausrundung), die beispielsweise auf der Basis oder einer Verbindung zu einer Stirnwand oder dergleichen einer Plattform eines Schaufelprofils (bzw. Schaufelprofilabschnitts) gebildet wird, um die Festigkeit gegen die Zentrifugalspannung einer Rotorschaufel zu erhöhen. Der Abstand d zwischen der äußeren Umfangsfläche des Schaufelprofils und einer Kante der Stirnwand ist jedoch kurz. In einigen Fällen ist daher der Radius R der Verrundung nicht kleiner als der Abstand d.
Im Allgemeinen ist der Radius R der Verrundung über den gesamten Umfang standardisiert, sodass der zum Schaufelprofil der Verrundung hin positionierte Kantenabschnitt oder die Grenze zwischen der Verrundung und dem Schaufelprofil auf eine konstante Höhe von der Stirnwand über den gesamten Umfang des Schaufelprofils eingestellt ist. In einem Bereich, in dem der Abstand d kleiner als der Radius R ist, ist die Verrundung daher so geformt, als ob ihre Mitte so geschnitten wäre, dass ein Höhenunterschied zwischen der Verrundung und der Oberfläche der Stirnwand entsteht. Die Oberfläche der Stirnwand bildet eine Strömungswegwandfläche (bzw. - oberfläche) für ein Arbeitsmedium. Daher führt ein deutlicher Höhenunterschied, der durch die Verrundung erzeugt wird, zu einer Verschlechterung der aerodynamischen Leistung. Oberflächenunregelmäßigkeiten können reduziert werden, wenn der Radius R der Verrundung auf den Minimalwert des Abstands d eingestellt wird. In diesem Fall ist die Verrundung jedoch zu klein. Infolgedessen kann die Konzentration der Zentrifugalspannung die Zuverlässigkeit der Schaufel negativ beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Axialströmungsturbomaschine und ihre Schaufel vor, die in der Lage sind, eine hohe aerodynamische Leistung und eine hohe Schaufelzuverlässigkeit auf ausgewogene Weise zu erreichen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine vorgesehen. Die Schaufel umfasst ein Schaufelprofil bzw. Schaufelprofilabschnitt, eine Stirnwand und eine Verrundung (bzw. Hohlkehle, Ausrundung). Die Stirnwand weist eine Strömungswegwandfläche (bzw. -oberfläche) auf, die mindestens auf einer Nabenseite des Schaufelprofils mit einer Spitzenseite und der Nabenseite angeordnet ist und einen Teil eines ringförmigen Strömungswegs eines Arbeitsmediums abgrenzen kann. Die Verrundung ist an der Grenze zwischen dem Schaufelprofil und der Strömungswegwandfläche entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofils angeordnet. Die Verrundung ist außen so geformt, dass sie eine bogenförmig gekrümmte Fläche (bzw. Oberfläche) mit einem Radius von R, betrachtet in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche und eine Schaufelfläche des Schaufelprofils aufweist. Ein auf der Strömungswegwandfläche vorhandener schmaler Abschnitt ist so konfiguriert, dass der Abstand d zwischen der Außenkante einer Projektion des Schaufelprofils auf die Strömungswegwandfläche und der Außenkante der Strömungswegwandfläche kleiner als der Maximalwert des Radius R der Verrundung ist. Wenn die Höhe in Schaufellängsrichtung von der Strömungswegwandfläche aus genommen wird, ist ein oberes Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung im schmalen Abschnitt niedriger angeordnet als ein oberes Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung an anderer Stelle, und das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche stimmt mit der Strömungswegwandfläche entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofils einschließlich des schmalen Abschnitts überein (bzw. fällt zusammen).
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine hohe aerodynamische Leistung und eine hohe Schaufelzuverlässigkeit in ausgewogener Weise zu erreichen.
Figurenliste

1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Gasturbine, die ein Beispiel für eine Turbomaschine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile einer Schaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ist ein Diagramm, das die Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der Sicht oberhalb eines Arbeitsmediums darstellt;
4 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel entlang der Linie IV-IV in 3;
5 ist ein Diagramm, das die Form der Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ist ein Diagramm, das die Schaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums darstellt;
7 ist ein Diagramm, das die Schaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums darstellt;
8 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel entlang der Linie VIII-VIII in 7;
9 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile einer Schaufel gemäß dem Stand der Technik darstellt; und
11 ist eine Ansicht der Schaufel gemäß dem Stand der Technik aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
- Turbomaschine -
1 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Gasturbine, die ein Beispiel für eine Turbomaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die Gasturbine, dargestellt in 1, umfasst einen Kompressor 10, eine Brennkammer 20 und eine Turbine 30. Der Kompressor 10 saugt die Außenluft A1 an und verdichtet sie. Die Brennkammer 20 erhält Druckluft A2 vom Kompressor 10 und verbrennt einen Kraftstoff F, der mit der zugeführten Druckluft A2 vermischt wird. Die Turbine 30 wird von einem Verbrennungsgas G1 aus der Brennkammer 20 angetrieben.
Ein Rotor 11 des Kompressors 10 und ein Rotor 31 der Turbine 30 sind koaxial miteinander gekoppelt. Als Ladevorrichtung ist beispielsweise ein Generator mit dem Rotor 11 oder dem Rotor 31 gekoppelt. Dementsprechend dreht sich der Generator zusammen mit dem Rotor 31 der Turbine 30, um die Rotationsenergie des Rotors 31 in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Verbrennungsgas G2, das dem Rotor 31 Wellenleistung zugeführt hat, wird aus der Gasturbine abgeführt, beispielsweise in eine Reinigungsvorrichtung eingeleitet und dann abgegeben. In einigen Fällen kann eine Pumpe als Ladevorrichtung gekoppelt werden, um die Gasturbine als Antriebsmaschine für die Pumpe zu nutzen.
Der Rotor 11 des Kompressors 10 ist drehbar in einem Gehäuse 9 untergebracht, das die Außenhülle der Gasturbine ist. Der Rotor 11 ist so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Scheiben 13 mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln 12, die umfänglich am Außenumfang, abwechselnd in Axialrichtung angeordnet sind. Weiterhin ist innerhalb des Gehäuses 9 an jedem absteigenden Abschnitt eine ringförmige Kaskade der Statorschaufel 14 so befestigt, dass sie den nachgeordneten Enden der Rotorschaufel 12 zugewandt ist. Das heißt, ein absteigender Abschnitt wird durch eine Ringkaskade der Rotorschaufel 12 und eine Ringkaskade der Statorschaufel 14 gebildet, die dem nachgeordneten Ende der Ringkaskade der Rotorschaufel 12 zugewandt ist.
Die Brennkammer 20 umfasst neben den nicht abgebildeten Elementen wie Außenmantel und Brenner auch eine Brennkammerauskleidung 21 und ein Abgasrohr 22. Die Brennkammerauskleidung 21 bildet eine Brennkammer zur Verbrennung des mit der Druckluft A2 vermischten Kraftstoffs F. Das Abgasrohr 22 verbindet die Brennkammerauskleidung 21 mit der Turbine 30. Der Außenmantel umschließt die Brennkammerauskleidung 21 und das Abgasrohr 22. Zwischen der Brennkammerauskleidung 21, dem Abgasrohr 22 und dem Außenmantel bildet sich ein zylindrischer Luftströmungsweg.
Der Rotor 31 der Turbine 30 ist drehbar im Gehäuse 9 untergebracht. Der Rotor 31 ist so konfiguriert, dass eine Vielzahl von Abstandshaltern 34 und eine Vielzahl von Scheiben 33 mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln 32, die umfänglich am Außenumfang angeordnet sind, abwechselnd in Axialrichtung angeordnet sind. Weiterhin ist innerhalb des Gehäuses 9 an jedem absteigenden Abschnitt eine ringförmige Kaskade der Statorschaufel 35 so befestigt, dass sie den oberhalb gelegenen Enden der Rotorschaufel 12 zugewandt ist. Das heißt, ein absteigender Abschnitt wird durch eine Ringkaskade der Rotorschaufel 32 und eine Ringkaskade der Statorschaufel 35 gebildet, die dem oberhalb gelegenen Ende der Ringkaskade der Rotorschaufel 32 zugewandt ist.
In der in 1 dargestellten Gasturbine können der Rotorschaufel 12 und der Statorschaufel 14 des Kompressors 10 und der Rotorschaufel 32 und der Statorschaufel 35 der Turbine 30 der Schaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen. Obwohl im vorliegenden Beispiel eine Gasturbine dargestellt ist, gilt die vorliegende Erfindung auch für die Rotorschaufel und Statorschaufel einer Dampfturbine. Außerdem, obwohl 1 eine Einwellen-Gasturbine darstellt, ist die vorliegende Erfindung auch auf eine Zweiwellen-Gasturbine anwendbar. Die Rotorschaufel 12 des Kompressors 10 wird nun ausführlich als repräsentatives Beispiel für die Struktur der Schaufel nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Schaufel -
2 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile einer Schaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 3 ist ein Diagramm, das die in 2 dargestellten Schaufel aus der Sicht oberhalb eines Arbeitsmediums oder aus der Sicht in Pfeilrichtung III in 2 darstellt. 4 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel entlang der Linie IV-IV in 3. 5 ist ein Diagramm, das die Form der Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Die in den 2 bis 5 dargestellte Schaufel 1 ist eine Rotorschaufel 12 des Kompressors 10, wie bereits erwähnt. Die Rotorschaufel 12 des Kompressors 10 umfasst einen Schaufelfußabschnitt 2, eine Stirnwand 3, ein Schaufelprofil (bzw. Schaufelprofilabschnitt) 4 und eine Verrundung (bzw. Hohlkehlung oder Ausrundung) 5. In der vorliegenden Ausführungsform sind der Schaufelfußabschnitt 2, die Stirnwand 3, das Schaufelprofil 4 und die Verrundung 5 integral ausgebildet, d.h. die Schaufel 1 wird durch integrales Zerspanen eines Materials geformt.
Der Schaufelfußabschnitt 2 dient der Befestigung von Schaufel 1 am Außenumfang einer Scheibe 13, siehe 1, des Kompressors 10.
Die Stirnwand 3 wird auch als Plattform oder Schwalbenschwanz bezeichnet und bildet mit ihrer nach außen gerichteten Oberfläche in radialer Richtung des Kompressors eine Strömungswegwandfläche (bzw. -oberfläche) 3a. Die Strömungswegwandfläche 3a begrenzt einen Teil eines ringförmigen Strömungsweges des Arbeitsmediums, d.h. einen Strömungsweg zum Ansaugen und Verteilen der Außenluft A1. Beim Kompressor 10 in der vorliegenden Ausführungsform ist die Strömungswegwandfläche 3a zum nachgeordneten Ende des Arbeitsmediums ausgerichtet und in radialer Richtung des Kompressors nach außen geneigt, siehe 2.
Das Schaufelprofil 4 hat ein Ende, oder das Fußende im Beispiel von 2, das von der Strömungswegwandfläche 3a der Stirnwand 3 unterstützt wird. Das Schaufelprofil 4 weist eine vertiefte Stirnseitenfläche oder Druckfläche 4a und eine projizierte Rückseitenfläche oder Unterdruckfläche 4b auf. Wenn davon ausgegangen wird, dass eine Schaufelmittelfläche 4c eine gebogene Fläche ist, die durch einen Zwischenpunkt zwischen der vorderen Seitenfläche 4a und der hinteren Seitenfläche 4b mit einem orthogonalen Querschnitt verläuft, siehe 4, das an einer geeigneten Stelle in einer Schaufellängsrichtung geschnitten wird, nimmt die Dicke des Schaufelprofils 4 in einer Richtung von einer Vorderkante 4f zu einer Schaufelmitte entlang der Schaufelmittelfläche 4c zu und in einer Richtung von der Schaufelmitte zu einer Hinterkante 4r ab.
In der vorliegenden Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Stirnwand 3 nur auf einer Nabenseite oder der Unterseite in 2 angeordnet ist, wobei das Schaufelprofil 4 sowohl die Nabenseite als auch eine Spitzenseite aufweist oder die Oberseite in 2. In einigen Fällen kann die Stirnwand 3 jedoch neben der Nabenseite auch auf der Spitzenseite des Schaufelprofils 4 vorhanden sein. Die auf der Spitzenseite des Schaufelprofils 4 der Rotorschaufel 12 vorhandene Stirnwand 3 wird auch als integrierte Abdeckung bezeichnet. Bei einer anderen Schaufel als der Rotorschaufel 12 ist die Rotorschaufel 32 der Turbine 30 der Rotorschaufel 12 des Kompressors 10 ähnlich, indem die Stirnwand 3 mindestens auf der Nabenseite des Schaufelprofils 4 angeordnet ist, die sowohl die Spitzenals auch die Nabenseite aufweist. Die Stirnwand 3 gibt es auch auf der Nabenseite oder auf der Unterseite in 1 und auf der Spitzenseite oder der Oberseite in 1 des Schaufelprofils 4 der Statorschaufeln 14 und 35 des Kompressors 10 und der Turbine 20. Die Stirnwand 3 auf der Nabenseite wird auch als Membraninnenring und die Stirnwand 3 auf der Spitzenseite auch als Membranaußenring bezeichnet. Beide Stirnwände 3 formen die Strömungswegwandfläche, d.h. die innere oder äußere umlaufende Wandfläche des ringförmigen Strömungsweges, des Arbeitsmediums oder der Luft und des Verbrennungsgases.
- Verrundung -
Die Verrundung 5 ist ein Element zur Festigkeitssteigerung und ringförmig an der Grenze zwischen dem Schaufelprofil 4 und der Strömungswegwandfläche 3a der Stirnwand 3 entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofils 4 angeordnet. Die Oberfläche der Verrundung 5 ist eine vertiefte gebogene Oberfläche, die die Schaufeloberfläche des Schaufelprofils 4 glatt mit der Strömungswegwandfläche 3a verbindet. Bei der Betrachtung beispielsweise in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche 3a und der Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 wird die Verrundung 5 außen durch einen Bogen mit einem Radius von R gebildet, der das Ende der Strömungswegwandfläche 3a und die Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 umschreibt. Das heißt, die Oberfläche der Verrundung 5 ist eine vertiefte bogenförmig gekrümmte Fläche, die einen Querschnitt mit einem Radius von R aufweist. 3 ist aus einem Blickwinkel entlang der Strömungswegwandfläche 3a dargestellt. Daher weist die Verrundung 5 bei Betrachtung in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche 3a und der Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 die gleiche äußere Form auf wie in 3 dargestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Radius R der Verrundung 5 im oben genannten Querschnitt innerhalb des gesamten Umfangsbereichs des Schaufelprofils 4 konstant.
Hier wird ein Abstand d als das Maß zwischen der Außenkante eines Vorsprungs angenommen, der einer Schraffierung in 4 des Schaufelprofils 4 der Strömungswegwandfläche 3a und der Außenkante der Strömungswegwandfläche 3a in einer Richtung orthogonal zur Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 entlang der Strömungswegwandfläche 3a entspricht. Die Strömungswegwandfläche 3a weist einen Bereich auf, in dem der Abstand d kleiner ist als der Maximalwert, der im vorliegenden Beispiel auf R des Radius R der Verrundung 5 festgelegt ist. Im vorliegenden Dokument wird der Bereich, in dem R > d ist, als schmaler Abschnitt 3b bezeichnet. Es wird davon ausgegangen, dass die Schaufel, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar ist, den schmalen Abschnitt aufweist, der zumindest auf der Rückseite des Schaufelprofils vorhanden ist, das sowohl die Vorderseite als auch die Rückseite aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der schmale Abschnitt 3b sowohl auf der Rückseite als auch auf der Vorderseite vorhanden.
Weiterhin wird bei der Höhenbestimmung in Schaufellängsrichtung von der Strömungswegwandfläche 3a zum Schaufelprofil 4 die Höhe des oberen Endes der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b als h1 angenommen, siehe 5. Die Höhe des oberen Endes der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b entspricht dem Radius R. Das größte Merkmal der vorliegenden Ausführungsform ist, dass die Höhe des oberen Endes der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b kleiner ist als die Höhe des oberen Endes der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b, also h1 < R. Durch die vorstehend beschriebene Höhenänderung des oberen Endes der Verrundung 5 fällt also das untere Ende oder das zur Strömungswegwandfläche 3a hin ausgerichtete Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 mit der Strömungswegwandfläche 3a im gesamten Umfangsbereich des Schaufelprofils 4 einschließlich des schmalen Abschnitts 3b zusammen. Von der Seitenfläche der Stirnwand 3 aus gesehen oder in Rotordrehrichtung betrachtet, fällt das untere Ende der Verrundung 5 mit der Strömungswegwandfläche 3a zusammen und wird ohne Höhenunterschied linear in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums verlängert, siehe 2.
- Vergleichendes Beispiel -
10 ist eine perspektivische Ansicht, die wesentliche Teile einer Schaufel gemäß dem Stand der Technik darstellt. 11 ist eine Ansicht der Schaufel gemäß dem Stand der Technik aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums. 10 entspricht 2 und 11 entspricht 3. Im vergleichenden Beispiel der 10 und 11 ist die Höhe des oberen Endes einer Verrundung β, die der Strömungswegwandfläche α entnommen wird, konstant, d.h. „= R“, unabhängig vom Abstand d. Unter Bezugnahme auf 11 sind die Abstände d1 und d2 der Rückseite und Vorderseite des Schaufelprofils kleiner als der Radius R des Querschnitts der Verrundung β. Wenn also die Breite w der Stirnwand γ klein ist, treten die Höhen h' und h" von der Strömungswegwandfläche α am unteren Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung β auf. So werden von der Verrundung β in Bezug auf die Strömungswegwandfläche α an beiden Breitenenden der Stirnwand γ in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums Höhenunterschiede mit den Höhen h' und h" erzeugt. Die Höhen h' und h" der Höhenunterschiede nehmen mit abnehmender Breite w der Stirnwand γ gegenüber dem Schaufelprofil und mit abnehmenden Abständen d1 und d2 zu. Die Höhenunterschiede beeinträchtigen die aerodynamische Leistung.
Andererseits ist die vorliegende Ausführungsform wie in 5 dargestellt konfiguriert, sodass die Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b den gleichen Radius R wie die Verrundung beibehält, siehe im vergleichenden Beispiel die gestrichelte Linie und ist parallel zur Strömungswegwandfläche 3a verschoben, die den Höhen h' und h" der Höhenunterschiede der Verrundung im vergleichenden Beispiel entsprechen. Die resultierende Konfiguration ist daher so, dass beide Breitenenden der Stirnwand 3 keinen von der Verrundung 5 erzeugten Höhenunterschied in Bezug auf die Strömungswegwandfläche 3a aufweisen.
- Vorteile -
Ausgewogenes Erreichen der aerodynamischen Leistung und der Schaufelzuverlässigkeit
Die vorliegende Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die Verrundung 5 auch im schmalen Abschnitt 3b auf der Strömungswegwandfläche 3a der Stirnwand 3, wie vorstehend erwähnt, keinen Höhenunterschied an der Außenkante der Strömungswegwandfläche 3a erzeugt. Dadurch wird die Verschlechterung der aerodynamischen Leistung reduziert, die auftreten kann, wenn die Verrundung an der Außenkante der Strömungswegwandfläche im schmalen Bereich einen Höhenunterschied erzeugt. Weiterhin verhindert der schmale Abschnitt 3b, dass die Höhe der Verrundung 5 in Abhängigkeit von Abstand d abnimmt. Dadurch wird verhindert, dass die gesamte Verrundung 5 zu klein wird und eine hohe Festigkeitszuverlässigkeit gewährleistet. Dadurch können eine hohe aerodynamische Leistung und eine hohe Zuverlässigkeit oder Festigkeit der Schaufel in ausgewogener Weise erreicht werden. Insbesondere in der vorliegenden Ausführungsform bleibt der Radius R der Verrundung 5 auch im schmalen Abschnitt 3b unverändert. Dadurch werden Höhenänderungen der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b reduziert und ein Festigkeitsabfall hochwirksam vermieden.
Produktionserleichterung
Da der Radius R oder Krümmungsradius der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 unverändert bleibt, kann die Verrundung 5 leicht geformt und gefertigt werden.
Zweite Ausführungsform
6 ist ein Diagramm, das die Schaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums darstellt. 6 entspricht 3, die die erste Ausführungsform darstellt. Elemente, die in 6 dargestellt und identisch oder entsprechend denen der Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform sind, werden mit den gleichen Referenznummern wie in den vorstehenden Figuren bezeichnet und nicht redundant beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form der Verrundung. Die von der zweiten Ausführungsform übernommene Verrundungsform ist so beschaffen, dass das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 nur im schmalen Abschnitt 3b der Rückseite oder der rechten Seite in 6 mit der Strömungswegwandfläche 3a übereinstimmt, wobei das Schaufelprofil 4 sowohl eine Rückseite als auch eine Vorderseite aufweist. Der Radius R der Verrundung 5 im Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche 3a und der Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 ist innerhalb des gesamten Umfangsbereichs des Schaufelprofils 4 wie bei der ersten Ausführungsform konstant. Im schmalen Abschnitt 3b auf der Vorderseite oder auf der linken Seite in 6, hat das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 einen Höhenunterschied mit der Höhe h" zur Strömungswegwandfläche 3a, wie im vergleichenden Beispiel der Fall, siehe 11. Im Übrigen ist die zweite Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
Der Höhenunterschied der Strömungswegwandfläche beeinflusst die aerodynamische Leistung auf der Rückseite des Schaufelprofils erheblich. Selbst wenn eine Verrundungsstruktur, die keinen Höhenunterschied erzeugt, nur auf der Rückseite angewendet wird, wird die aerodynamische Leistung daher stark verbessert. Darüber hinaus ist die Bearbeitung im Vergleich zur ersten Ausführungsform einfacher.
Die Merkmale der zweiten Ausführungsform gelten auch für die nachstehend beschriebene dritte und vierte Ausführungsform.
Dritte Ausführungsform
7 ist ein Diagramm, das die Schaufel gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus der Sicht oberhalb des Arbeitsmediums darstellt. 8 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel entlang der Linie VIII-VIII in 7. 7 entspricht 3, die die erste Ausführungsform darstellt. Die in den 7 und 8 dargestellten Elemente, die mit denen der Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform identisch oder entsprechend sind, werden mit den gleichen Referenznummern wie in den vorstehenden Figuren bezeichnet und nicht redundant beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Radius R der Verrundung 5 variiert, um den Radius R der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b im Vergleich zu diesem in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b klein zu machen. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Radius R der Radius eines bogenförmigen Abschnitts eines Querschnitts der Verrundung 5, der orthogonal zur Strömungswegwandfläche 3a und der Schaufelfläche des Schaufelprofils 4 ist.
In der dritten Ausführungsform ist der Radius R gleich dem Abstand d im schmalen Abschnitt 3b und wird auf einen konstanten Wert eingestellt, der kleiner ist als der Abstand d in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b. Das heißt, der Radius R des Querschnitts der Verrundung 5 bleibt im Wesentlichen unverändert, variiert aber kontinuierlich in Abhängigkeit von Abstand d im schmalen Abschnitt 3b. Wie in 7 durch eine Zwei-Punkt-Strichpunktlinie angegeben, die den Umriss der Verrundung in der ersten Ausführungsform darstellt, ist der Radius R der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b gleich dem Abstand d und kleiner als derjenige in der ersten Ausführungsform. Dementsprechend ist die Höhe der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b um den gleichen Wert geringer als in der ersten Ausführungsform. Gleichzeitig ist die Form der Verrundung 5 in Schaufellängsrichtung die gleiche wie in der ersten Ausführungsform, siehe 8. Im Übrigen ist die dritte Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
Selbst bei Annahme der oben beschriebenen Konfiguration kann die Höhe der Verrundung 5 in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b ausreichend erreicht werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall ist. Die oben beschriebene Konfiguration bietet daher eine größere Festigkeit als eine Konfiguration, bei der die Höhe der Verrundung 5 gleichmäßig auf den Mindestwert der Entfernung d reduziert wird. Außerdem erzeugt die Verrundung 5, wie bei der ersten Ausführungsform, keinen Höhenunterschied an der Kante der Strömungswegwandfläche 3a. Darüber hinaus ist die Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b niedriger und kleiner als die in der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus ist die Verrundung 5 glatt mit der Strömungswegwandfläche 3a verbunden. Folglich ist die dritte Ausführungsform in Bezug auf den aerodynamischen Widerstand besser als die erste Ausführungsform. Aus Sicht der Schaufelfestigkeit ist die erste Ausführungsform jedoch um den Wert des Höhenunterschieds der Verrundung 5 im schmalen Abschnitt 3b besser als die dritte Ausführungsform.
Vierte Ausführungsform
9 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 entspricht 8, die die dritte Ausführungsform darstellt. Elemente, die in 9 dargestellt und identisch oder entsprechend denen der Schaufel gemäß der ersten Ausführungsform sind, werden mit den gleichen Referenznummern wie in den vorstehenden Figuren bezeichnet und werden nicht redundant beschrieben. Die vierte Ausführungsform ähnelt der dritten Ausführungsform, da der Radius R des Querschnitts der Verrundung 5 variiert. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich jedoch von der dritten Ausführungsform dadurch, dass sich der Radius R im schmalen Abschnitt 3b nicht kontinuierlich ändert, sondern sich in zwei Schritten ändert. Genauer gesagt, hat die Verrundung 5 in einem Bereich, der den schmalen Abschnitt 3b umfasst und zwischen zwei Grenzen 8 sandwichartig angeordnet ist, einen kleineren Radius R als die Verrundung 5 in einem Bereich ohne den schmalen Abschnitt 3b und zwischen den beiden Grenzen 8 sandwichartig angeordnet. In dem Bereich, der den schmalen Abschnitt 3b umfasst, wird der Radius R auf einen konstanten Wert eingestellt, der gleich oder etwas kleiner als der Minimalwert von Abstand d ist. In dem Bereich, der den schmalen Abschnitt 3b ausschließt, wird der Radius R auf einen konstanten Wert eingestellt, der kleiner als der Abstand d ist oder auf einen Wert, der größer als der Radius R in dem Bereich ist, der den schmalen Abschnitt umfasst, wie es der Fall mit dem Radius R der Verrundung 5 in dem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt 3b in der ersten Ausführungsform ist. Offensichtlich ähnelt die vierte Ausführungsform der ersten bis dritten Ausführungsform, da das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 mit der Strömungswegwandfläche 3a übereinstimmt. Im Übrigen ist die vierte Ausführungsform die gleiche wie die erste Ausführungsform.
Die vierte Ausführungsform bietet im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie die dritte Ausführungsform. Da der Radius R des Querschnitts der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung 5 in dem Bereich einschließlich des schmalen Abschnitts 3b unverändert bleibt, bietet die vierte Ausführungsform eine einfachere Fertigung als die dritte Ausführungsform, bei der sich der Radius R im schmalen Abschnitt 3b kontinuierlich ändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010156338 [0002]

Claims

Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine, wobei die Schaufel umfasst: einen Schaufelprofilabschnitt; eine Stirnwand, die eine Strömungswegwandfläche aufweist, die mindestens auf einer Nabenseite des Schaufelprofilabschnittes mit einer Spitzenseite und der Nabenseite angeordnet ist und einen Teil eines ringförmigen Strömungswegs eines Arbeitsmediums abgrenzt; und eine Verrundung, die an der Grenze zwischen dem Schaufelprofilabschnitt und der Strömungswegwandfläche entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofilabschnitts angeordnet ist, wobei die Verrundung außen so geformt ist, dass sie eine bogenförmig gekrümmte Fläche mit einem Radius von R betrachtet in einem Querschnitt orthogonal zur Strömungswegwandfläche und einer Schaufeloberfläche des Schaufelprofilabschnittes aufweist, einen schmalen Abschnitt, der auf der Strömungswegwandfläche vorhanden und so konfiguriert ist, dass der Abstand d zwischen der Außenkante einer Projektion des Schaufelprofilabschnitts auf die Strömungswegwandfläche und der Außenkante der Strömungswegwandfläche kleiner als der Maximalwert des Radius R der Verrundung ist, und wenn eine Höhe in einer Schaufellängsrichtung von der Strömungswegwandfläche aus genommen wird, ein oberes Ende der bogenförmigen gekrümmten Fläche der Verrundung im schmalen Abschnitt niedriger angeordnet ist als ein oberes Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche der Verrundung in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt, und das untere Ende der bogenförmig gekrümmten Fläche mit der Strömungswegwandfläche entlang des gesamten Umfangs des Schaufelprofilabschnitts einschließlich des schmalen Abschnitts zusammenfällt.
Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei der schmale Abschnitt mindestens auf einer Rückseite des Schaufelprofilabschnitts mit einer Rückseite und einer Vorderseite vorhanden ist.
Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Radius R der Verrundung im Querschnitt über den gesamten Umfang des Schaufelprofilabschnitts konstant ist.
Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine gemäß Anspruch 1, wobei der Radius R im Querschnitt der bogenförmig gekrümmten Fläche im schmalen Abschnitt klein ist im Vergleich zum Radius R in einem anderen Bereich als dem schmalen Abschnitt.
Schaufel für eine Axialströmungsturbomaschine gemäß Anspruch 4, wobei der Radius R im schmalen Abschnitt gleich dem Abstand d ist.
Axialströmungsturbomaschine, umfassend: eine Statorschaufel, die die Schaufel gemäß Anspruch 1 ist; und eine Rotorschaufel, die zusammen mit der Statorschaufel einen absteigenden Abschnitt bildet.
Axialströmungsturbomaschine, umfassend: eine Rotorschaufel, die die Schaufel gemäß Anspruch 1 ist; und eine Statorschaufel, die zusammen mit der Rotorschaufel einen absteigenden Abschnitt bildet.