DE112006001614B4

DE112006001614B4 - Turbomaschinenschaufel

Info

Publication number: DE112006001614B4
Application number: DE112006001614.8T
Authority: DE
Inventors: Dr. Greim Ralf; Dr. Havakechian Said; Ivan William McBean
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2026-07-01
Also published as: WO2007003614A1; CH698109B1; US20080152501A1; JP2008545097A; US7740451B2; CN101213353A; DE112006001614A5; CN101213353B

Abstract

Turbomaschinenschaufel (21, 31), umfassend ein Schaufelblatt (22, 32), welches sich mit einer Schaufelblatt-Längserstreckung von einem Schaufelfuss (23, 33) zu einem Schaufelkopf (27, 37) erstreckt, wobei die Turbomaschinenschaufel eine Einbau-Radialrichtung (R), eine Einbau-Umfangsrichtung (U) sowie eine Einbau-Axialrichtung (L) aufweist, sowie eine Auffädelungslinie (29, 39), wobei ein Neigungswinkel als der Winkel definiert wird, den eine Projektion der Auffädelungslinie in einer von der Einbau-Umfangsrichtung (U) und der Einbau-Radialrichtung (R) aufgespannten Ebene mit der Einbau-Radialrichtung (R) aufweist, und wobei der Neigungswinkel (φ) entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung variiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Neigungswinkels (φ) entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung in zwei unterschiedlichen Regionen erfolgt, wobei die eine Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 0,7 ± 0,1 reicht und einen Neigungswinkel (φ) im Bereich von 7 ± 3 Grad aufweist, und die sich daran anschliessende zweite Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 1 reicht und am Ende dieser zweiten Region der Neigungswinkel (φ) nur noch 0 ± 2 Grad beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbomaschinenschaufel gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie umfasst weiterhin auch einen Rotor und einen Stator einer Turbomaschine, insbesondere einer Dampfturbine, sowie eine Turbomaschine selbst, welche derartige Schaufeln umfasst.
Stand der Technik
Bei Turbomaschinen und insbesondere Turbinen mit unverwundenen Schaufeln weicht der Reaktionsgrad der Stufen über der Schaufelspannweite lokal vom mittleren Auslegungs-Reaktionsgrad ab. Zur Nabe hin nimmt der Reaktionsgrad im Verhältnis zum Mittelschnitt ab, während er zum Gehäuse hin zunimmt. Dabei bedeutet ein abnehmender Reaktionsgrad eine relative Vergrösserung des Druckgefälles über die Leitschaufelreihe der Stufe, während ein vergrösserter Reaktionsgrad eine relative Vergrösserung des Druckgefälles über die Laufschaufelreihe bedeutet. Das heisst, die Druckdifferenz über einen Schaufelkranz wird jeweils an den Schaufelspitzen gross, an welchen die Leckageverluste durch Überströmen ohnehin gross sind und empfindlich auf Druckdifferenzen reagieren.
Den erhöhten Leckagen über die Schaufelspitzen der Leitschaufel an der Nabe einerseits und der Laufschaufeln am Gehäuse andererseits kann begegnet werden, indem die Schaufelblätter um einen Neigungswinkel aus der rein radialen Orientierung gekippt werden. Die Überströmverluste können beispielsweise vermindert werden, indem die Schaufelblätter der Leitschaufeln mit ihrer Druckseite um einige Grad zur Nabe hin geneigt werden. Umgekehrt werden die Überströmverluste auch vermindert, wenn die Schaufelblätter der Laufschaufeln mit ihrer Saugseite um einige Grad zur Nabe hin geneigt werden. Durch die Neigung der Schaufelblätter werden zusätzliche radial orientierte Druckfelder in den Schaufelkanälen induziert. Dadurch kommt es aber beispielsweise bei Leitschaufelkanälen im Bereich des Gehäuses dazu, dass ein Sekundärströmungsgebiet weiter in die Kernströmung gezogen wird, was zu einer Erhöhung der Sekundärströmungsverluste führt.
Durch das Neigen der Schaufelblätter werden also die Überströmverluste vermindert, auf der anderen Seite steigen aber die Sekundärströmungsverluste, so, dass deren Anstieg bald einmal die Verminderung der Überströmverluste überkompensiert. Der Verminderung der Überströmverluste durch ein Neigen der Schaufelblätter sind also vergleichsweise enge praktische Grenzen gesetzt.
Aus der GB 2 151 310 A ist eine Laufschaufel einer Gasturbine mit einer nicht-linearen Auffädelungslinie bekannt, die so geformt ist, dass die Vorderkante und die Hinterkante mit einer Druckspannung beaufschlagt werden, die von den auf die Laufschaufel wirkenden Zentrifugalkräften herrührt.
Aus der EP 1 106 836 A2 ist eine Laufschaufel eines Kompressors bekannt, die eine zweifach gekrümmte Auffädelungslinie aufweist.
Aus der DE 37 43 738 A1 ist eine Schaufel einer Turbomaschine bekannt, die nach außen zu einer Saugseite der Schaufel hin gekrümmt ist.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neben zahlreichen anderen, ist es, eine Turbomaschinenschaufel der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile Standes der Technik vermeidet. Es ist beispielsweise eine Aufgabe der Erfindung, eine Turbomaschinenschaufel derart anzugeben, dass im Bereich des nabenseitigen Endes die Vorteile der Neigung des Schaufelblattes genutzt werden, und deren Nachteile in dem Bereich, der am äusseren Schaufelkranzdurchmesser zu liegen kommt, nicht zum Tragen kommen.
Diese Forderung, neben einer Reihe weiterer Vorteile, welche die dort beschriebene Bauart mit sich bringt, erfüllt die im Anspruch 1 beschriebene Turbomaschinenschaufel. Es handelt sich demnach um eine Turbomaschinenschaufel mit einem Schaufelblatt, wobei sich das Schaufelblatt mit einer Schaufelblatt-Längserstreckung von einem Schaufelfuss zu einem Schaufelkopf erstreckt. Dabei weist der Schaufelfuss eine Schaufelplattform auf, an welcher das Schaufelblatt ansetzt. Das Schaufelblatt weist weiterhin eine sogenannte Auffädelungslinie oder „stacking line” auf. Diese ist bei einer Ausführungsform einer Leitschaufel an der Schaufelblatt-Hinterkante definiert, und bei einer Ausführungsform einer Laufschaufel als eine Linie, die die Flächenschwerpunkte aller in der Schaufelblatt-Längserstreckung angeordneten Profilquerschnitte miteinander verbindet. Die Auffädelungslinie eines verwundenen Schaufelblattes kann als die Linie verstanden werden, um die das Schaufelblatt verdrillt bzw. verwunden ist, oder als die Linie, um die alle in Schaufelblatt-Längserstreckung aufeinanderfolgenden Schaufelblattprofile verdreht sind.
Die Schaufelblatt-Hinterkante ist in einer Ausführungsform definiert als die Menge der Punkte, an denen jeweils die Skelettlinie des Schaufelblattprofils das Schaufelblattprofil abströmseitig durchdringt.
Der Neigungswinkel eines Schaufelblattes ist, siehe zum Beispiel Traupel: „Thermische Turbomaschinen” Band 1, 4. Auflage, Springer-Verlag 2001, als ein Winkel definiert, um den ein Schaufelblatt einer Turbomaschinenschaufel in einer Turbomaschine ausgehend von der Radialrichtung geneigt ist. Dabei erfolgt die Neigung in einer Querschnittsebene einer Turbomaschine, und in der Umfangsrichtung. Bei einem verwundenen Schaufelblatt wird der Neigungswinkel an der Auffädelungslinie gemessen, und zwar als der Winkel, den eine Projektion der Auffädelungslinie in einer von der Einbau-Umfangsrichtung und der Einbau-Radialrichtung aufgespannten Ebene mit der Einbau-Radialrichtung aufweist. Bei der Schaufel, welche hier angegeben wird, ist die Auffädelungslinie derart gebogen, dass der Neigungswinkel entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung variiert. Dabei erfolgt die Variation des Neigungswinkels φ entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung erfindungsgemäss in zwei unterschiedlichen Regionen, wobei die eine Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 0,7 ± 0,1 reicht und einen Neigungswinkel φ im Bereich von 7 ± 3 Grad aufweist, und die sich daran anschliessende zweite Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 1 reicht und am Ende dieser zweiten Region der Neigungswinkel φ nur noch 0 ± 2 Grad beträgt. Die Variation von φ wird von der Nabe zum Gehäuse hin kleiner.
Zur Definition der Einbaurichtungen für die Schaufel als solche ist folgendes anzumerken: Eine Turbomaschinenschaufel weist für die Verwendung in einer Turbomaschine wohldefinierte geometrische Parameter auf, welche die Funktionsfähigkeit der Schaufel innerhalb der Turbomaschine sicherstellen. Insofern ist die Geometrie einer Turbomaschinenschaufel und insbesondere des Schaufelblattes der Turbomaschinenschaufel spezifisch auf den Einbauzustand abgestimmt. Die vorgesehene Einbaulage muss damit bereits als Merkmal der Turbomaschinenschaufel selbst betrachtet werden, weil die gesamte Auslegung der Turbomaschinenschaufel auf die Einbaulage ausgerichtet ist. Es ist damit gerechtfertigt, bereits bei Betrachtung der Turbomaschinenschaufel selbst von einer Einbau-Radialrichtung in Richtung des Radius der Turbomaschine, einer Einbau-Umfangsrichtung in Umfangsrichtung der Turbomaschine und einer Einbau-Axialrichtung in Richtung der Achse der Turbomaschine, bei einer axialen durchströmten Turbomaschine entsprechend der Strömungsrichtung, zu sprechen, und diese als unmissverständliche und klare Merkmale der Schaufel selbst heranzuziehen. Auf dieser Grundlage kann der Neigungswinkel auch für die Schaufel als solche bestimmt werden. Der Neigungswinkel ist dabei in einer Ebene definiert, welche von der Einbau-Radialrichtung und der Einbau-Umfangsrichtung aufgespannt ist, gemäss Traupel: „Thermische Turbomaschinen” Band 1, 4. Auflage, Springer-Verlag 2001, S. 326, Abb. 7.3.2. In einer Ausführungsform der hier beschriebenen Turbomaschinenschaufel ist die Biegung des Schaufelblattes zweidimensional und liegt in der von der Einbau-Radialrichtung und der Einbau-Umfangsrichtung aufgespannten Ebene.
Bei einer Ausführungsform einer Turbomaschinenschaufel kann der Neigungswinkel auch als Komplementärwinkel des Winkels definiert werden, den die Auffädelungslinie mit der Schaufelplattform einschliesst.
Der beanspruchte Gegenstand kann mit einer Schaufel mit einem verwundenen wie auch mit einem unverwundenen Schaufelblatt realisiert werden.
Unter einem unverwundenen Schaufelblatt ist ein Schaufelblatt zu verstehen, welches gemäss einer streng geometrischen Definition durch die Parallelverschiebung einer Erzeugenden entlang eines Schaufelblattprofils als Leitlinie entsteht. Die Erzeugende kann dabei gerade oder auch gebogen sein, bei jeder Translation der Erzeugenden entlang des Schaufelblattprofils wird aber jeder Punkt der Erzeugenden um den selben Betrag und in der gleichen Richtung verschoben. Bei einer Bewegung entlang der Leitlinie wird die Erzeugende also rein translatorisch bewegt und erfährt keine Drehbewegung. Eine gebogene Erzeugende definiert dabei ein gebogenes, aber unverwundenes Schaufelblatt.
Mit Bezug auf die anvisierte Einbaulage der Turbomaschinenschaufel weist das Schaufelblatt ein nabenseitiges Ende und ein gehäuseseitiges Ende auf. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Neigungswinkel im Bereich des nabenseitigen Endes des Schaufelblattes betragsmässig grösser als der Neigungswinkel im Bereich des gehäuseseitigen Endes.
Damit zeichnet sich eine Turbomaschinen-Leitschaufel, welche einen Schaufelfuss und einen Schaufelkopf umfasst, wobei der Schaufelfuss am gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist und der Schaufelkopf am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist, dadurch aus, dass der Neigungswinkel im Bereich des Schaufelkopfes betragsmässig grösser ist (7 ± 3 Grad) als im Bereich des Schaufelfusses (0 ± 2 Grad am Ende des Beriches). Eine Turbomaschinen-Laufschaufel, welche einen Schaufelfuss und einen Schaufelkopf umfasst, wobei der Schaufelfuss am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist und der Schaufelkopf am gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes angeordnet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Neigungswinkel im Bereich des Schaufelfusses betragsmässig grösser (7 ± 3 Grad) ist als im Bereich des Schaufelkopfes (0 ± 2 Grad am Ende des Bereiches). Die Grenze zwischen den beiden Regionen mit den deutlich unterschiedlichen Neigungswinkeln liegt bei einer relativen Schaufellänge von 0,7 ± 0,1.
Wenn das Schaufelblatt mit einem Neigungswinkel angeordnet ist, so bedeutet dies, dass die Druckseite und die Saugseite des Schaufelblattes in der Einbau-Radialrichtung entweder nach innen oder auch nach aussen orientiert sind. In einer Ausführungsform einer Turbomaschinen-Leitschaufel ist die Auffädelungslinie, das heisst die Schaufelhinterkante, derart gebogen, dass im Bereich des Schaufelkopfes, also am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes, die Druckseite des Schaufelblattes in der Einbau-Radialrichtung nach innen, das heisst nabenseitig, orientiert ist. Die Druckseite einer Leitschaufel ist also im Bereich des Schaufelkopfes wenigstens an der Schaufelhinterkante von der Schaufelplattform wegweisend orientiert. Das Schaufelblatt einer Leitschaufel ist im Hinterkantenbereich zur Druckseite konvex gebogen, das heisst die Wölbung der Biegung weist zur Druckseite hin. In einer Weiterbildung der Leitschaufel verläuft die Auffädelungslinie im Fussbereich, das heisst am gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes, wenigstens radial oder ist mit der Druckseite im Hinterkantenbereich in der Einbau-Radialrichtung nach aussen, das heisst gehäuseseitig oder zur Schaufelplattform hin, orientiert. In einer Ausführungsform einer Turbomaschinen-Laufschaufel ist die Auffädelungslinie derart gebogen, dass im Bereich des Schaufelfusses, also am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes, die Saugseite des Schaufelblattes im Bereich der grössten Profildicke in der Einbau-Radialrichtung nach innen, das heisst nabenseitig, orientiert ist. Die Saugseite einer Laufschaufel ist also im Bereich des Schaufelfusses wenigstens im Bereich der grössten Profildicke zur Schaufelplattform hin orientiert. Das Schaufelblatt einer Laufschaufel ist im Bereich der grössten Profildicke zur Saugseite konvex gebogen, das heisst die Wölbung der Biegung weist zur Saugseite hin. In einer Weiterbildung der Laufschaufel verläuft die Auffädelungslinie im Kopfbereich, das heisst am gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes, wenigstens radial oder das Schaufelblatt ist mit der Saugseite in der Einbau-Radialrichtung nach aussen, das heisst gehäuseseitig oder von der Schaufelplattform wegweisend, orientiert.
Eine Turbomaschinenschaufel der oben genannten Bauart ist beispielsweise als Schaufel für ein axial durchströmtes Schaufelgitter geeignet. In einer Ausführungsform handelt es sich um eine Schaufel für eine Dampfturbine, insbesondere eine Hoch- oder Mitteldruck-Dampfturbine. Sehr vorteilhafte Wirkungen entfaltet die beschriebene Bauart bei Turbinenschaufeln, welche in Turbinen mit einem Nabenverhältnis im Bereich von 0,60 bis 0,95 Verwendung finden.
Turbomaschinenschaufeln der vorstehend beschriebenen Art eignen sich zur Verwendung im Stator einer Turbomaschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, wobei der Stator wenigstens eine Schaufelreihe mit Leitschaufeln der oben beschriebenen Bauart umfasst, oder zur, Verwendung im Rotor einer Turbomaschine, beispielsweise einer Gas- oder Dampfturbine, wobei der Rotor wenigstens eine Schaufelreihe mit Turbomaschinen-Laufschaufeln der oben beschriebenen Art umfasst.
Eine Turbomaschine, beispielsweise eine Gasturbine oder eine Dampfturbine, insbesondere eine Hockdruck- bzw. Mitteldruck-Dampfturbine, umfasst einen Rotor und/oder einen Stator der vorstehend beschriebenen Bauweise. Eine solche Turbomaschine umfasst in einer Ausführungsform eine Turbinenstufe, deren Leitschaufeln sowie Laufschaufeln Turbomaschinenschaufeln der oben beschriebenen Art mit gebogenen Schaufelblättern sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Strömungsmaschine;
2 eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel einer Strömungsmaschine der oben beschriebenen Art;
3 und 4 Darstellungen der Laufschaufel aus 2 aus anderen Blickrichtungen;
5 eine Leitschaufel für eine Strömungsmaschine gemäss der oben beschriebenen Bauart;
6 und 7 Darstellungen der Leitschaufel aus 5 in anderen Blickrichtungen; und
8 einen Teil eines Querschnitts einer Strömungsmaschine mit Schaufeln der oben beschriebenen Art, sowie einen beispielhaften Verlauf des Neigungswinkels über der Schaufelblatt-Längserstreckung.
Für das Verständnis der Erfindung nicht notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird aus Gründen der Übersichtlichkeit in den nachstehenden Ausführungsbeispielen anhand von Schaufeln mit unverwundenen Schaufelblättern illustriert. Eine Verallgemeinerung auf verwundene Schaufeln wird der Fachmann ohne Weiteres vorzunehmen in der Lage sein, wobei die Auffädelungslinie des Schaufelblattes beim Übergang von einem unverwundenen zu einem verwundenen Schaufelblatt definitionsgemäss jeweils unverändert beibehalten wird.
In der 1 ist schematisch eine Turbine, beispielsweise eine Hochdruck-Dampfturbine 1, dargestellt. Die beispielhaft dargestellte Turbine wird von links nach rechts von einem Arbeitsfluid durchströmt. Die Turbine umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor umfasst unter anderem die Welle 2 sowie Laufschaufeln 21. Der Stator umfasst unter anderem ein Gehäuse 3 und Leitschaufeln 31. Eine Stufe einer Turbine umfasst jeweils einen Leitschaufelkranz und einen stromab davon angeordneten Laufschaufelkranz. Zwischen den Leitschaufeln 31 und der Welle 2 sowie zwischen den Laufschaufeln 21 und dem Gehäuse 3 sind Spalte vorhanden, über welche ein Leckagestrom ungenutzt überströmt, wodurch die Effizienz der Energieumsetzung vermindert wird. Die Leckageverluste treten, wenn auch in geringerem Ausmasse, auch bei Schaufelreihen mit Deckbändern auf. Diese Leckageverluste werden umso grösser, je grösser das Druckgefälle über einen Schaufelkranz im Bereich des Spaltes ist. Ein Mass für die Aufteilung des Stufendruckgefälles auf den Leitschaufelkranz und den Laufschaufelkranz einer Turbinenstufe ist der Reaktionsgrad. Bei vielen üblichen und ansonsten sehr vorteilhaften Schaufelblattgeometrien verändert sich die Verteilung des Druckabbaus auf Leitschaufelkranz und Laufschaufelkranz über der Schaufelblatt-Längserstreckung. So steigt das Druckgefälle über den Leitschaufelkranz nabenseitig, das heisst, an der Welle, an, während gleichzeitig das Druckgefälle über den Laufschaufelkranz nabenseitig, das heisst an der Welle, kleiner ist als gehäuseseitig. Das heisst, sowohl an den Leitschaufeln als auch an den Laufschaufeln ist die Druckdifferenz jeweils ausgerechnet an den Spalten am grössten. Dieser Effekt verstärkt sich noch mit kleiner werdendem Nabenverhältnis. Dabei ist das Nabenverhältnis als das Verhältnis des Durchmessers der Welle zum Innendurchmesser des Gehäuses beziehungsweise dem äusseren Durchmesser des Schaufelkranzes definiert.
In der 2 ist eine Laufschaufel der hier vorgeschlagenen Bauart dargestellt. Die Laufschaufel 21 umfasst ein Schaufelblatt 22 und einen Schaufelfuss 23. Der Schaufelfuss 23 ist mit einem in diesem Beispiel tannenbaumförmigen Befestigungselement zum Befestigen der Schaufel in der Welle versehen und trägt eine Plattform 24, auf welcher das Schaufelblatt 22 angeordnet ist. Die Form des Schaufelfusses ist nicht für die Erfindung relevant. Die Geometrie der Schaufel ist durch deren Verwendung bestimmt. Daher sind eine Einbau-Radialrichtung R, eine Einbau-Umfangsrichtung U und eine Einbau-Axialrichtung L definiert. Das Schaufelblatt weist eine Druckseite 25, eine Saugseite 26, ein kopfseitiges Ende 27 sowie ein fussseitiges Ende 28 auf. Die strichpunktiert dargestellte Auffädelungslinie 29, auch als „stacking line” bezeichnet, erstreckt sich entlang einer Linie, welche die Schwerpunkte der entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung angeordneten Schaufelprofile miteinander verbindet. Bei einer Laufschaufel der dargestellten Art, welche in der Welle einer Turbomaschine befestigt wird, ist das fussseitige Ende 28 des Schaufelblattes auch das nabenseitige Ende, während das kopfseitige Ende das gehäuseseitige Ende ist. Im Bereich des Schaufelfusses ist die Auffädelungslinie derart in der Einbau-Umfangsrichtung geneigt, dass die Saugseite 26 des Schaufelblattes zur Schaufelplattform 24 hin orientiert ist, oder, anderes ausgedrückt, dass die Saugseite des Schaufelblattes in der Einbau-Radialrichtung nach innen orientiert ist. Bei der dargestellten Schaufel ist diese Neigung so orientiert, dass die Auffädelungslinie ausschliesslich in der Einbau-Umfangsrichtung geneigt ist. Im weiteren ist das Schaufelblatt im Beispiel derart gebogen, dass die Auffädelungslinie im Bereich des Schaufelkopfes 27 rein radial verläuft. Die Geometrie der Neigung und der Biegung der Auffädelungslinie und damit des Schaufelblattes wird in den 3 und 4 deutlicher. Dabei ist die in 2 dargestellte Schaufel in der 3 in einer Blickrichtung in Richtung der Einbau-Axialrichtung L dargestellt, und in 4 in einer Blickrichtung in Richtung der Einbau-Umfangsrichtung U. In der 3 ist der Neigungswinkel φ eingezeichnet, sowie ein Winkel α, welchen die zur Schaufelblatt-Saugseite geneigte Auffädelungslinie mit der Schaufelplattform oder mit der Tangente der Nabe einschliesst. Der Neigungswinkel φ ist am fusseitigen oder nabenseitigen Ende des Schaufelblattes am grössten (er liegt hier erfindungsgemäss im Bereich von 7 3 Grad) und nimmt in der Einbau-Radialrichtung ab. Am kopfseitigen Ende des Laufschaufelblattes wird dieser Winkel kleiner, beispielsweise zu Null wie im vorliegenden Beispiel, oder er wechselt gar das Vorzeichen. Der Neigungswinkel φ ist in diesem Endbereich bevorzugt 0 ± 2 Grad gross. Der Winkel α, welchen die Auffädelungslinie mit der Schaufelplattform oder mit der Tangente der Nabe einschliesst, ist am fusseitigen Ende kleiner 90° und wird zum kopfseitigen oder gehäuseseitigen Ende grösser. Wie in Verbindung mit der 4 deutlich zu erkennen ist, ist die Auffädelungslinie nur in einer von der Einbau-Umfangsrichtung U und der Einbau-Radialrichtung R aufgespannten Ebene gebogen. In einer Ebene, welche von der Einbau-Radialrichtung R und der Einbau-Axialrichtung L aufgespannt wird, ist die Auffädelungslinie 29 nicht gebogen.
Eine Leitschaufel der vorgeschlagenen Art ist in den 5 bis 7 erläutert. Die Leitschaufel 31 umfasst ein Schaufelblatt 32, das auf dem Schaufelfuss 33 mit der Plattform 34 angeordnet ist. Das Schaufelblatt weist eine Druckseite 35 und eine Saugseite 36, sowie ein fussseitiges Ende 38 und ein kopfseitiges Ende 37 auf. Die Auffädelungslinie 39 liegt an der Schaufelhinterkante. Bei der dargestellten Leitschaufel ist das kopfseitige Ende gleichzeitig auch das nabenseitige Ende, welches beim Einbau in eine Strömungsmaschine an der Welle zu liegen kommt. Das fussseitige Ende ist auch das gehäuseseitige Ende. Im Bereich des Schaufelkopfes 37 weist die Auffädelungslinie eine Neigung in der Einbau-Umfangsrichtung auf, derart, dass die Druckseite des Schaufelblattes im Hinterkantenbereich in der Einbau-Radialrichtung nach innen, das heisst zur Nabe hin, orientiert ist, während das Schaufelblatt in der dargestellten Ausführungsform im Fussbereich 38 radial verläuft. In der 6 ist die in der 5 mit VI gekennzeichnete Ansicht dargestellt. Der lokale und entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung variable Neigungswinkel ist dabei mit φ bezeichnet. Die Auffädelungslinie ist zur Druckseite hin orientiert und schliesst mit der Tangente der Nabe im eingebauten Zustand einen Winkel β ein. Dieser Winkel ist am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes kleiner als 90° und wird zum gehäuseseitigen oder fussseitigen Ende hin grösser. Im Zusammenhang mit der in 7 dargestellten Ansicht in der mit VII dargestellten Blickrichtung wird deutlich, dass die Biegung wiederum zweidimensional in der durch die Einbau-Umfangsrichtung U und die Einbau-Radialrichtung R aufgespannten Ebene liegt.
Zu bemerken ist, dass in den vorstehend dargestellten Ausführungsbeispielen der Neigungswinkel φ im Allgemeinen übertriebenen gross dargestellt ist, dies im Sinne einer besseren Darstellbarkeit. Typischerweise bewegt sich in einer Ausführungsform der beschriebenen Schaufel der Neigungswinkel am nabenseitigen Ende des Schaufelblattes im Bereich zwischen 7 ± 3 Grad, bevorzugt im Bereich zwischen 6 und 8 Grad, um im Bereich des Gehäuses kleiner zu werden und in Ausführungsformen auf Null oder gar auf einen negativen Wert zurückzugeben, wobei φ = 0 ± 2 Grad ist und wobei definitionsgemäss, siehe zum Beispiel bei Traupel an der oben zitierten Stelle, ein Neigungswinkel, bei dem das Schaufelblatt von der Nabe ausgehend in die Drehrichtung geneigt ist, das heisst, bei Leitschaufeln zur Druckseite und bei Laufschaufeln zur Saugseite, als positiver Winkel gerechnet wird.
In der 8 ist ein schematisierter Querschnitt einer Turbomaschine mit Schaufeln der oben beschriebenen Art dargestellt, sowie beispielhafte Verläufe des Neigungswinkels φ über der Länge der Schaufelblätter. Dargestellt sind im Querschnitt eine Welle 2 einer Turbomaschine, dass Gehäuse 3, sowie die Schaufelblätter jeweils einer Laufschaufel 21 und einer Leitschaufel 31. Mit ω ist die Drehrichtung des Rotors bezeichnet, und mit φ der Neigungswinkel eines Schaufelblattes. s bezeichnet eine Laufkoordinate der Höhe des zwischen dem Gehäuse und der Welle gebildeten Kanals. In dem Diagramm sind beispielhafte Verläufe des Neigungswinkel über der Höhe des Kanals, beziehungsweise der Längserstreckung eines Schaufelblattes, angegeben.
Erfindungsgemäss beträgt der Neigungswinkel φ bis zu einer relativen Schaufellänge von 0,7 ± 0,1 (entspricht etwa dem Verhältnis s/s_o von 0,7 ± 0,1 im Diagramm von 8) 7 ± 3 Grad, gemäss Ausführungsbeispiel in 8 ca. 8 Grad, während bei einer darüber liegenden relativen Schaufellänge der Neigungswinkel φ kleiner wird, bis bei einer relativen Schaufellänge von 1 der Neigungswinkel φ = 0 ± 2 Grad ist. Die im unteren Teil von 8 dargestellte Kurve ist somit deutlich in zwei Region unterteilt.
Im Lichte dieser Ausführungen eröffnen sich dem Fachmann weitere in den Ausführungsbeispielen nicht explizit dargestellte Ausführungsformen der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Strömungsmaschine, Dampfturbine
2: Welle
3: Gehäuse
21: Laufschaufel
22: Laufschaufelblatt
23: Laufschaufelfuss
24: Schaufelplattform
25: Druckseite
26: Saugseite
27: kopfseitiges oder gehäuseseitiges Ende des Schaufelblattes
28: fussseitiges oder nabenseitiges Ende des Schaufelblattes
29: Auffädelungslinie eines Laufschaufelblattes
31: Leitschaufel
32: Schaufelblatt
33: Schaufelfuss
34: Schaufelplattform
35: Druckseite
36: Saugseite
37: kopfseitiges oder nabenseitiges Ende des Schaufelblattes
38: fussseitiges oder gehäuseseitiges Ende des Schaufelblattes
39: Auffädelungslinie eines Leitschaufelblattes
L: Einbau-Axialrichtung
R: Einbau-Radialrichtung
U: Einbau-Umfangsrichtung
s: Laufkoordinate
s₀: Schaufelspannweite
φ: Neigungswinkel
α: Winkel zwischen saugseitig geneigter Auffädelungslinie und Tangente der Nabe
β: Winkel zwischen druckseitig geneigter Auffädelungslinie und Tangente der Nabe
ω: Drehrichtung

Claims

Turbomaschinenschaufel (21, 31), umfassend ein Schaufelblatt (22, 32), welches sich mit einer Schaufelblatt-Längserstreckung von einem Schaufelfuss (23, 33) zu einem Schaufelkopf (27, 37) erstreckt, wobei die Turbomaschinenschaufel eine Einbau-Radialrichtung (R), eine Einbau-Umfangsrichtung (U) sowie eine Einbau-Axialrichtung (L) aufweist, sowie eine Auffädelungslinie (29, 39), wobei ein Neigungswinkel als der Winkel definiert wird, den eine Projektion der Auffädelungslinie in einer von der Einbau-Umfangsrichtung (U) und der Einbau-Radialrichtung (R) aufgespannten Ebene mit der Einbau-Radialrichtung (R) aufweist, und wobei der Neigungswinkel (φ) entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung variiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Neigungswinkels (φ) entlang der Schaufelblatt-Längserstreckung in zwei unterschiedlichen Regionen erfolgt, wobei die eine Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 0,7 ± 0,1 reicht und einen Neigungswinkel (φ) im Bereich von 7 ± 3 Grad aufweist, und die sich daran anschliessende zweite Region bis zu einer relativen Schaufellänge von 1 reicht und am Ende dieser zweiten Region der Neigungswinkel (φ) nur noch 0 ± 2 Grad beträgt.
Turbomaschinenschaufel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffädelungslinie einer Leitschaufel an der Schaufelhinterkante (39) liegt, und die Auffädelungslinie einer Laufschaufel eine Linie (29) ist, welche die Flächenschwerpunkte aller in der Schaufelblatt-Längserstreckung angeordneten Profilquerschnitte miteinander verbindet.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffädelungslinie (29, 39) zweidimensional in einer von der Einbau-Umfangsrichtung (U) und der Einbau-Radialrichtung (R) aufgespannten Ebene gebogen ist.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt ein nabenseitiges Ende (28, 37) und ein gehäuseseitiges Ende (27, 38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel im Bereich des nabenseitigen Endes grösser ist als der Neigungswinkel im Bereich des gehäuseseitigen Endes.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche wobei die Turbomaschinenschaufel als Leitschaufel (31) ausgebildet ist und einen Schaufelfuss (33) sowie einen Schaufelkopf (37) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schaufelkopfes (37) die Druckseite (35) des Schaufelblattes in der Einbau-Radialrichtung nach innen orientiert ist, und die Auffädelungslinie (39) zur Druckseite (35) konvex gebogen ist.
Turbomaschinen-Leitschaufel gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt im Fussbereich wenigstens radial verläuft oder mit der Druckseite in der Einbau-Radialrichtung nach aussen orientiert ist.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 wobei die Turbomaschinenschaufel als Laufschaufel (21) ausgebildet ist und einen Schaufelfuss (23) sowie einen Schaufelkopf (27) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Schaufelfusses die Saugseite (26) des Schaufelblattes in der Einbau-Radialrichtung nach innen orientiert ist, und die Auffädelungslinie (29) zur Schaufelblatt-Saugseite (26) konvex gebogen ist.
Turbomaschinen-Laufschaufel gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt im Kopfbereich wenigstens radial verläuft oder mit der Saugseite in der Einbau-Radialrichtung nach aussen orientiert ist.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt ein unverwundenes Schaufelblatt ist, welches derart gebogen ist, dass ein Winkel, den die Schaufelblatt-Druckseite mit einer Plattform (24, 34) des Schaufelfusses einschliesst, in der Schaufelblatt-Längserstreckung variiert.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaufel für ein axial durchströmtes Schaufelgitter ist.
Turbomaschinenschaufel gemäss einem der vorstehenden Ansprüche als Dampfturbinenschaufel.
Stator einer Turbomaschine, umfassend wenigstens eine Schaufelreihe mit Turbomaschinen-Leitschaufeln gemäss einem der Ansprüche 5 oder 6.
Rotor einer Turbomaschine, umfassend wenigstens eine Schaufelreihe mit Turbomaschinen-Laufschaufeln gemäss einem der Ansprüche 7 oder 8.
Turbomaschine, umfassend einen Stator gemäss Anspruch 12.
Turbomaschine, umfassend einen Rotor gemäss Anspruch 13.
Turbomaschine, umfassend einen Stator gemäss Anspruch 12 und einen Rotor gemäss Anspruch 13.