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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Verdichterschaufel für
ein Luftstrahltriebwerk bzw. eine Gasturbine, beispielsweise auf
eine Verdichterschaufel (Fan Blade) für Verdichter von Fluggasturbinen.
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Aus dem Stand der Technik ist es
bekannt, Verdichterschaufeln (Fan Blades) mit geschliffenen äußeren Schaufelenden
zu versehen. Dabei wird die Kontur des Schaufelendes entsprechend
der Innenfläche
des Verdichtergehäuses
(Fan Casing) angepasst.
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Eine Verdichterschaufel der genannten
Art zeigt beispielsweise das US-Patent 4,875,831.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt,
ist es erforderlich, zwischen den geschliffenen äußeren Enden der Verdichterschaufeln
und dem Verdichtergehäuse
einen definierten Spalt auszubilden, damit die Schaufelenden und
das Gehäuse
nicht in Kontakt kommen und aneinander reiben und hierdurch beschädigt werden
können.
Durch diesen Spalt fließt
jedoch Luft von der Druckseite der Schaufel zur Saugseite der Schaufel.
Hierdurch entstehen Wirkungsgradverluste des Verdichters. Weiterhin
führt die
Luftströmung
zu unerwünschter
Geräuschentwicklung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Verdichterschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche
beim einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die
Nachteile des Standes der Technik vermeidet und dabei insbesondere
die Luftströmung
durch den Spalt günstig beeinflusst.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die
Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen
weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass
an der Verdichterschaufel an ihrem radial äußeren Schaufelende zumindest
eine Vertiefung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß werden somit in die radiale
Außenfläche der äußeren Schaufelenden
eine oder, in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung, mehrere Vertiefungen
eingearbeitet.
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Erfindungsgemäß können die Vertiefungen unterschiedliche
geometrische Formen haben, beispielsweise kreisförmige, dreieckige, quadratische, sechseckige,
ovale oder rechteckige.
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Im Rahmen der Erfindung können die
Vertiefungen entweder einreihig oder mehrreihig entlang des äußeren Schaufelendes
zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Verdichterschaufel
angeordnet sein. Es ist auch möglich,
bei einer mehrreihigen Anordnung die einzelnen Vertiefungen zueinander
zu versetzen.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, die
Anzahl, die Dimensionierung, den Abstand, die Tiefe und/oder die
Ausrichtung der einzelnen Vertiefungen zu variieren. Hierdurch ist
eine optimale Anpassung an die unterschiedlichsten Strömungsverhältnisse
in unterschiedlich ausgebildeten Verdichtern möglich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Teil-Seitenansicht einer beispielhaften Verdichterschaufel
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
der Detailansicht A, der in 1 gezeigten
Verdichterschaufel,
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3 eine
stirnseitige Ansicht B, eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung,
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4 eine
vergrößerte Darstellung
des in 3 gezeigten Details
D,
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5 eine
Schnittansicht längs
der Linie E-E von 4 bzw.
G-G von 7,
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6 eine
stirnseitige Ansicht C, analog 3,
eines weiteren Ausführungsbeispiels
in Blickrichtung C gemäß 2,
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7 eine
vergrößerte Detailansicht
der Einzelheit F von 6,
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8 eine
vergrößerte Detailansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels
der Einzelheit H gemäß 6,
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9 eine
vergrößerte Detailansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels
gemäß Einzelheit
J von 6, und
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10 eine
vergrößerte Detailansicht
eines weiteren Ausführungsbeispiels
in Darstellung der Einzelheit K von 6.
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Die 1 zeigt
in vereinfachter Darstellung eine beispielhafte Verdichterschaufel 1 gemäß dem Stand
der Technik. Diese ist auf eine Verdichternabe 2 montiert
und ist drehbar innerhalb eines Verdichtergehäuses 4 angeordnet.
Die Triebwerksachse ist mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt.
Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen Luftstrom durch
die Verdichterstufe.
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In 2 ist
eine Vergrößerung des
Endbereichs der in 1 gezeigten
Verdichterschaufel 1 dargestellt, um insbesondere ein äußeres Schaufelende 6,
eine Vorderkante 7 und eine Hinterkante 8 zu verdeutlichen.
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Die 3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit ovalen Vertiefungen 9, welche in dem äußeren, geschliffenen
Schaufelende 6 ausgebildet sind. Mit 10 ist eine
Saugseite und mit 11 ist eine Druckseite der Verdichterschaufel 1 bezeichnet.
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Die 4 zeigt
die Einzelheit D gemäß 3. Dabei ist ersichtlich,
dass Längen
L1 sowie Breiten B1 der Vertiefungen 9 im Verlauf von der
Vorderkante 7 zur Hinterkante 9 unterschiedlich
sein können.
Die Breite B1 sollte bevorzugter Weise so gewählt werden, dass eine Breite
B3 und eine Breite B4 eine gewisse Restwandstärke der Verdichterschaufel 1 mit
einer Breite B2 nicht unterschreiten. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen
sollten B3 und B4 jeweils mind. 1 mm betragen.
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Die 5 zeigt
eine Seiten-Schnittansicht längs
der Linie E-E von 4 bzw. G-G von 7. In 5 sind die ovalen Vertiefungen 9 der
Verdichterschaufel 1 entsprechend im Schnitt dargestellt.
Ein Rückfluss 12 bereits
verdichteter Luft zwischen dem äußeren Schaufelende 6 der
Verdichterschaufel 1 und dem Verdichtergehäuse 4 von
der Druckseite 11 zur Saugseite 10 ist durch die
Pfeile dargestellt.
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Wie in 5 ersichtlich,
bilden sich in den ovalen Vertiefungen 9 Verwirbelungen 13.
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Die Tiefe T1 der ovalen Vertiefung 9 sollte bevorzugter
Weise größer sein,
als die Spaltbreite S1 zwischen dem Verdichtergehäuse 4 und
dem äußeren Schaufelende 6.
In bevorzugter Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels beträgt das Verhältnis von
T1 zu S1 mind. 3. Die Breite B1 sollte bevorzugter Weise größer sein,
als die Tiefe T1. Das Verhältnis
von B1 zu T1 sollte bevorzugter Weise etwa 2 betragen.
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Die Richtung der ovalen Vertiefungen 9,
welche sich durch einen Winkel W1 ergeben, ist bevorzugter Weise
senkrecht zu einer Lauffläche 14 des Verdichtergehäuses 4 oder
senkrecht zur Triebwerksachse 3.
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In weiteren erfindungsgemäßen Varianten sind
jedoch auch andere Winkel W1 möglich.
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Die 6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
analog der Darstellung der 3,
bei welchem Vertiefungen 15 mit runder Ausgestaltung vorgesehen
sind. Die einzelnen Durchmesser können über die Länge der Verdichterschaufel 1 variieren.
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Die 7 zeigt
eine Vergrößerung der
Einzelheit F von 6.
Dabei sind die runden Vertiefungen 15 mit ihren Hauptabmessungen
dargestellt. Die Durchmesser D1 sind im Verlauf von der Vorderkante 7 zur
Hinterkante 8 unterschiedlich. Der Durchmesser D1 sollte
bevorzugter Weise so gewählt
werden, dass die Breite B3 und die Breite B4 eine gewisse Restwandstärke nicht
unterschreiten, die bei dieser Ausführungsform bevorzugter Weise
mind. 1 mm beträgt.
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Die Abstände L3 zwischen den runden
Vertiefungen 15 können
je nach Position auf der Verdichterschaufel 1 unterschiedlich
sein.
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Die 8 zeigt
eine weitere Ausgestaltungsvariante gemäß der Einzelheit H von 6. Im Unterschied hierzu
sind die Vertiefungen 16 zweireihig und jeweils oval ausgebildet.
Die Vertiefungen sind zueinander versetzt angeordnet.
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Die 9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
entsprechend der Einzelheit J von 6.
Dabei sind ovale Vertiefungen 17 vorgesehen, welche nebeneinander
angeordnet sind, senkrecht zur Saug- oder Druckseite. Die dabei
etwas kleineren ovalen Vertiefungen 17 sind somit ungefähr um 90° gedreht, verglichen
beispielsweise mit einer Anordnung analog B.
Somit sind die Vertiefungen 17 fast senkrecht zur Saugseite 10 oder
zur Druckseite 11 der Verdichterschaufel 1 angeordnet.
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Die 10 zeigt
eine weitere Ausgestaltungsvariante, bei welcher kleinere runde
Vertiefungen 18 vorgesehen sind, welche zweireihig und
zueinander versetzt angeordnet sind.
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Im Rahmen der Erfindung können auch
verschiedene andere geometrische Grundformen der Vertiefungen kombiniert
werden, beispielsweise runde und ovale Vertiefungen.
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Vorausgesetzt, die Größe der äußeren Schaufelenden
ist ausreichend dimensioniert, können
die erfindungsgemäßen Vertiefungen
bei allen Arten von Verdichterschaufeln vorgesehen sein, auch bei
Hochdruckverdichterschaufeln.
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Erfindungsgemäß erschweren die Vertiefungen 9, 15, 16, 17, 18 den
direkten Rückfluss 12 bereits
verdichteter Luft von der Druckseite 11 zur Saugseite 10.
Durch die Verwirbelungen 13 in den Vertiefungen 9, 15, 16, 17, 18 entsteht
ein Dichtungseffekt, weiterhin ergibt sich eine Reduktion der Geschwindigkeit
des Rückflusses 12.
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Durch die oben beschriebenen Effekte
ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Verdichterschaufeln
geringere Strömungsverluste
und damit ein geringerer Druckverlust. Weiterhin wird durch die
niedrigeren Geschwindigkeiten des Rückflusses 12 weniger
Geräusch
bzw. Lärm
erzeugt.
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Ein weiterer Effekt besteht darin,
dass das Gewicht der Verdichterschaufeln geringfügig sinkt, sodass insgesamt
eine Gewichtsreduzierung bei dem Triebwerk erzielt werden kann.
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Da erfindungsgemäß lediglich eine Anpassung
der Verdichterschaufeln vorgesehen ist, nicht jedoch des Verdichtergehäuses, ist
es auch möglich, bereits
bestehende Triebwerke mit den erfindungsgemäßen Verdichterschaufeln nachzurüsten.
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- 1
- Niederdruckverdichterschaufel
- 2
- Niederdruckverdichternabe
- 3
- Triebwerksachse
- 4
- Niederdruckverdichtergehäuse
- 5
- Luftstrom
- 6
- äußeres Schaufelende
- 7
- Vorderkante
- 8
- Hinterkante
- 9
- ovale
Vertiefung
- 10
- Saugseite
- 11
- Druckseite
- 12
- Rückfluss
- 13
- Verwirbelungen
- 14
- Lauffläche
- 15
- runde
Vertiefung
- 16
- runde
Vertiefung
- 17
- ovale
Vertiefung
- 18
- runde
Vertiefung
- T1
- Tiefe
- S1
- Spaltbreite
- B1
- Breite
- B2
- Breite
- B3
- Breite
- B4
- Breite
- D1
- Durchmesser
- L1
- Länge
- L2
- Länge
- W1
- Winkel