DE19612394C2 - Schaufelblatt für Strömungsmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für Schaufelgitter von Strömungsmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Schaufelblätter werden nach heutigem Stand der Technik aus einer Vielzahl von einzelnen Profilschnitten erzeugt, wobei die einzelnen Profilschnitte an die radial ver­ änderlichen Strömungswinkel und -zustände angepaßt sind. Durch die Fädelung der Einzelprofilschnitte wird die Form/Gestalt des Schaufelblattes definiert.

In Schaufelgittern entstehen bekanntermaßen Sekundärströmungen und Sekundärver­ luste. An den seitlichen Begrenzungswänden des Durchströmteiles bildet sich in der Zuströmung zu den Gittern eine Wandgrenzschicht aus, die im Schaufelkanal umgelenkt wird. Das energieärmere Fluid in der Vorgrenzschicht kann jedoch dem von der Profil­ saugseite zur Profildruckseite einer benachbarten Schaufel sich aufbauenden Druckfeld, das im wesentlichen durch die Strömung außerhalb der Randzonen bestimmt wird, nicht das Gleichgewicht halten. Als Folge tritt mit der Ausbildung stärker gekrümmter Strom­ bahnen eine Querströmung von der Druckseite zur Saugseite der Nachbarschaufel auf, die sich in einem Wirbel im Schaufelkanal fortsetzt.

Der Transport des energiearmen Materials der Vorgrenzschicht und die Überlagerung mit der saugseitigen Profilgrenzschicht ruft zusätzliche Verluste, die sogenannten Rand­ verluste hervor. Für die Höhe der Verluste ist die Intensität des Überströmens entschei­ dend.

Auf die Querbewegung sind zusätzliche Einflüsse weiterer Wirbelsysteme vorhanden. Im räumlichen Staubereich vor der Schaufelvorderkante an der Seitenwand steigt der örtliche Druck in Strömungsrichtung stark an. Dadurch weichen die wandnahen Schich­ ten des Fluids in der Anströmgrenzschicht in Zonen geringeren Druckes quer zur Haupt­ strömung aus.

In der Symmetrieebene des räumlichen Staugebietes kommt es zu einer Rückströmung. Aufgrund der Wechselwirkung mit der Außenströmung entsteht ein Wirbelgebilde, das hufeisenförmig um das Profil verläuft. Der Hufeisenwirbel besteht somit aus einem saug­ seitigen und einem druckseitigen Ast. Der saugseitige Wirbelarm verläuft entlang der Profilsaugseite, hat einen gegenläufigen Drehsinn gegenüber dem Kanalwirbel und be­ hindert die Bewegung des Kanalwirbels zur Saugseite. Der druckseitige Ast des Huf eisenwirbels hat innerhalb des Schaufelkanals einen gleichläufigen Drehsinn wie der Kanalwirbel. Es entsteht ein komplexes Wirbelsystem, wobei die einzelnen Wirbel in starker Wechselwirkung miteinander stehen.

Aus der DE 28 41 616 B2 ist ein Leitschaufelkranz bekannt, bei dem die Profildicke jedes Leitschaufelblattes zur Verringerung von Strömungsverlusten, insbesondere in Grenzschicht nahe der Spitze jeder Leitschaufel, ab einem Schaufelblattabstand vom inneren Ring von 75% der Gesamtschaufelblattlänge proportional zunimmt, während der verbleibende, radial innere Teil des Leitschaufelblatts eine konstante Profildicke aufweist. Die Profildicke nimmt ausschließlich an der nacheilenden Kante des Leit­ schaufelblattes zu. Die Form der vorauseilenden Kante wird nicht verändert.

In der Dissertationsschrift "Weiß, Andreas P.: Der Einfluß der Profilgeometrie auf die Entwicklung der Sekundärströmungen in Turbinengittern, Dissertation 1993, Universität der Bundeswehr München, S. 80-81" wird die Beeinflußbarkeit der Sekundärströmung durch Variation der Profilgeometrie untersucht, um die Gitterverluste zu minimieren.

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaufelblatt anzugeben, deren Schaufelgeometrie die Sekundärströmung im Sinne einer Minimierung der Schaufelverluste beeinflußt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die aerodynamische, stromabwärts der Vor­ derkante gestaltete Aufdickung des Schaufelblattes im saug- und druckseitigen Bereich und innerhalb des Schaufelkanals das Wirbelsystem in den Randzonen günstig beein­ flußt wird. In der Folge wird die Intensität der Sekundärwirbel (Hufeisen/-Kanalwirbel) und deren räumliche Lage geändert, was bei axialen, radialen, diagonalen und geraden Schaufelgittern von Strömungsmaschinen zu einer Reduzierung der Schaufelgitterver­ luste und zur Verbesserung des Stufenwirkungsgrades führt. Desweiteren kann je nach Wahl der Einflußparameter wie Vorderkantenradius, Keilwinkel und Profildicke zusätz­ lich Einfluß auf die Schaufelbelastung, also die Druckverteilung genommen werden.

Als Seitenwand wird sowohl die nabenseitige, also die radial innere, als auch die gehäu­ seseitige, also radial äußere Begrenzung des Ringkanales verstanden, wobei diese als in Umfangs- und axialer -richtung ausgebildete Schaufelprofilplattform bzw. als Deckband oder Maschinengehäuse ausgeführt sein kann. Die Erfindung kann u. a. bei der Stator- und Rotorbeschaufelung von Verdichtern, Turbinen, Gebläsen und Pumpen genutzt werden.

Bei einfachen Blattgeometrien, z. B. gerade Turbinengitter ist als Referenz-Profilschnitt ein Profilschnitt P_M zu verstehen, welcher bei etwa 50% der gesamten Schaufelblatthöhe h_ges, zu finden ist und keine Aufdickung aufweist. Schaufelblätter in axialen Strömungs­ maschinen weisen dagegen komplexere Schaufelgeometrien auf, da die einzelnen Profil­ schnitte P, die die Schaufelblätter definieren, an die lokal herrschenden Strömungszu­ stände angepaßt sind. Aufgrund der radial veränderlichen Strömungswinkel und -zustän­ de besteht das Schaufelblatt in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelprofilschnitten, die diesen Verhältnissen angepaßt sind und sich entlang der Schaufelhöhe und insbeson­ dere in ihrer Ausrichtung und Lage ändern. Aerodynamische, mechanische und thermi­ sche Belastungen führen u. a. auch zu einer Änderung der Profildicke und der axialen Abmessungen über die Schaufelblatthöhe. So erfordert die Gasdrucklast bei radial außen am Gehäuse angebrachten Leitschaufeln eine zunehmende Profildicke und axiale Ab­ messung in Schaufelhöhenrichtung um der Biegebeanspruchung zu widerstehen. Da­ gegen weisen Laufschaufeln im Nabenbereich die größte Profildicke und axiale Abmes­ sung auf, um der Fliehkraftbeanspruchung standhalten zu können. Die erfindungsgemäße Aufdickung an den Randzonen ist daher als additive Aufdickung eines Grundprofils zu verstehen, die den zuvor genannten Dickenänderungen des Schaufelblattes überlagert ist. An der dicksten Stelle X des Schaufelblattes kann die Aufdickung bis zu 30% der Seh­ nenlänge des Profilschnittes P betragen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 14.

Durch Ausbildung der Erfindung mittels der Merkmale nach einem der Ansprüche 9 oder 10 ist die verlustmindernde Beeinflussung der Sekundärströmung möglich, ohne daß zwangsläufig eine bereits optimierte Profildruckverteilung in ungewünschter Weise durch die Aufdickung abgeändert wird. Hierbei stellt der Staffelungswinkel β einen Auslegungsparameter dar, der nach erfolgter Optimierung der Sekundärströmung mit­ tels der erfindungsgemäßen Aufdickung nur noch geringen Einfluß auf die Sekundär­ strömung hat, jedoch noch die Druckverteilung über die Profilschnitte P in gewünschter Weise optimiert werden kann.

Um eine Gewichtszunahme des Schaufelblattes durch die Aufdickung zu kompensieren, kann das Schaufelblatt im Bereich der Aufdickung hohl ausgeführt werden. Zudem kön­ nen durch die Aufdickung die Festigkeitseigenschaften des Schaufelblattes verbessert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Niederdruckturbine axialer Bauweise mit gekrümmten und geraden Schaufelblättern,

Fig. 2a eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schaufelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit S-förmigem Aufdickungsverlauf,

Fig. 2b ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 2a,

Fig. 2c ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 2a mit Darstellung der Profilschnitte P,

Fig. 2d eine Draufsicht des Schaufelmodells nach Fig. 2a mit Darstellung eines Referenz- und eines randnahen Profilschnitts,

Fig. 2e ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 2a,

Fig. 2f ein Diagramm zum Verlauf der Profildicke im Randbereich des Schaufel­ blattes nach Fig. 2a,

Fig. 2g ein Diagramm zum nabenseitigen Verlauf des Keilwinkels y an der Vor­ derkante des Schaufelblattes nach Fig. 2a,

Fig. 3a eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schaufelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit exponentiellem Aufdickungsverlauf,

Fig. 3b ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 3a,

Fig. 3c ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 3a,

Fig. 3d ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 3a,

Fig. 3e ein Diagramm zum Verlauf des Keilwinkels γ an der Vorderkante des Schaufelblattes Fig. 3a,

Fig. 4a eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schuafelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit Fädelung der Profilschnitte in Um­ fangsssrichtung,

Fig. 4b ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 4a,

Fig. 4c eine Draufsicht des strömungsmechanischen Modells nach Fig. 4a.

Für Richtungs- und Bezugsangaben wird ein in der Strömungsmechanik übliches Axial- Umfangs-Radial-Koordinatensystem z-ϕ-r verwendet. Die in Fig. 1 schematisch darge­ stellte obere Häfte einer zweistufigen Axialturbine 1 weist paarweise axial hintereinander angeordnete Leit- und Laufschaufelgitter 2 bzw. 3 auf, die mit geraden bzw. konkav entgegen der Strömungsrichtung S gekrümmten Leit- bzw. Laufschaufeln 4, 5 bestückt sind. Die Schaufelblätter 6 der Leit- und Laufschaufeln 4, 5 erstrecken sich radial in ei­ nem zur Maschinenlängsachse A der Axialturbine 1 konzentrisch angeordneten Ringka­ nal 7. Die achskonzentrisch verlaufenden naben- und gehäuseseitigen Seitenwände bil­ den die radial innere und radial äußere Kanalbegrenzung 8 bzw. 9 des Ringkanals 7 und geben diesem einen bezüglich der Strömungsrichtung 5 divergenten Verlauf.

Die Laufschaufelgitter 3 sind in Scheibenbauweise ausgeführt, d. h., die Laufschaufeln 5 sind jeweils gitterweise an einer Scheibe 10 angebracht.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen den nabenseitigen Randbereich des zum Leitschaufelgitter 2 gehörigen Schaufelblattes 6' gemäß der Schnittführung W-W in Fig. 1. Wie aus dem Modell nach den Fig. 2b und 2c deutlich wird, wird das Schaufelblatt 6' im randnahen Bereich aus einer Vielzahl von einzelnen Profilschnitten P_R, P_1-7 und P_M erzeugt. In ihrer Formgebung sind die Profilschnitte P in üblicher Weise an die radial veränderlichen Strömungswinkel -zustände angepaßt. Einen Einfluß auf die Gestaltung der Profil­ schnitte P haben aerodynamische, mechanische und thermische Belastungen, die u. a. zu einer Änderung der Profildicke d entlang der Schaufelhöhe h führen. In typischer Weise ist das Schaufelblatt 6' des Leitschaufelgitters 2 radial außen an der äußeren Kanalbe­ grenzung 9, also am Gehäuse angebracht, und weist daher infolge der Gasdruckbelastung im Allgemeinen nach radial außen eine zunehmende Profildicke d und Profiltiefe t auf. Die zum Laufschaufelgitter 3 gehörige Laufschaufel 5 weist dagegen im Nabenbereich die größte Profildicke auf, um der Fliehkraftbeanspruchung Stand halten zu können. Bei den Übergängen der Schaufelblätter 6 in die begrenzenden Seitenwände 8, 9 - bei den Laufschaufeln 5 ist dies an der inneren Kanalbegrenzung 8 der Fall - weisen diese einen Ausrundungsradius r_N bzw. r_G auf, der die mechanischen Belastungen, wie die Kerb­ wirkung reduziert, so daß die Schaufelblätter 6 jeweils flächig in die Seitenwände 8, 9 übergehen.

Wie in den Fig. 2a bis 2d erkenntlich und in dem Diagramm nach Fig. 2f im qualita­ tiven Verlauf dargestellt, weisen die randnahen Profilschnitte P_R und P₁-P₅ gegenüber einem Referenz-Profilschnitt P_M eine zur äußeren Kanalbegrenzung 9 hin zunehmende Aufdickung 11 auf, um die Sekundärströmung im Randbereich positiv zu beeinflussen. Als Referenz-Profilschnitt P_M wurde ein Profilschnitt P gewählt, welcher bei 12% der Schaufelblatthöhe h von der inneren Kanalbegrenzung 8 beabstandet ist und keine Auf­ dickung aufweist. In Fig. 2d wird die Ausdehnung der Aufdickung 11 über die gesamte Profiltiefe 1 hinweg gegenüber dem dünnen Referenz-Profilschnitt P_M deutlich. Ausge­ hend von der Schaufelvorderkante 12 nimmt die Aufdickung 11 kontinuierlich, bis zu einem als Dickenrücklage gekennzeichneten Ort X zu, an dem die maximale Profildicke erreicht wird, um dann bis zur Schaufelhinterkante 13 kontinuierlich abzunehmen. Diese Zu- und Abnahme der Aufdickung 11 erfolgt stetig, um eine aerodynamisch günstige Formgebung zu erhalten. Aufgrund des unterschiedlichen Staffelungswinkel β_R,M der beiden Profilschnitte P_R und P_M fallen die Skelettlinien K_M und K_R der beiden Profil­ schnitte P_R und P_M nicht unmittelbar aufeinander, so daß im Hinterkantenbereich die Aufdickung 11 nicht unmittelbar auf der Druck- und Saugseite 14 bzw. 15 sichtbar wird.

Wie die Diagramme der Fig. 2e bis 2g zeigen, resultiert die Aufdickung 11 aus der Ver­ größerung der drei Profilparameter Nasenradius R_N an der Schaufelvorderkante 12, Pro­ fildicke d und Keilwinkel γ_N an der Vorderkante 12. Ausgehend vom Referenz-Profil­ schnitt P_M vergrößert sich bis zum randnahen Profilschnitt P_R der Nasenradius R_N um knapp 300%, die Profildicke d um etwa 200% und der Keilwinkel γ_N um etwa 20°. Allen drei Parameterverläufen ist gemeinsam, daß die Aufdickung 11 ausgehend vom randna­ hen Profilschnitt P_R bis zu etwa 3% der Schaufelhöhe h im wesentlichen konstant bleibt, um dann, ähnlich einer Tangensfunktion mit Wendepunkt W etwa bei 7% der Schaufel­ blatthöhe h_ges auf einen Wert auszulaufen, der dem Referenz-Profilschnitt P_M entspricht.

Wie in Fig. 2a zu erkennen, ergibt sich somit eine Aufdickung 11, die bis zu einer Schau­ felblatthöhe h₁/h_ges = 3% als zylindrisches Teilstück T_Z ausgebildet ist, um dann nach einer Übergangsfunktion T_Ü auszulaufen. Generell ist dabei die Aufdickung 11 derart gewählt, daß sich zwar aufgrund des unterschiedlichen Staffelungswinkel β_M, β_R der Profilschnitte P unterschiedlich große Profiltiefen 1 _R bzw. 1 _M ergeben aber die Abmes­ sung t in axialer Richtung von der Aufdickung 11 unbeeinflußt. Die Abmessung t ist allerdings u. a. aus Festigkeitsgründen über die Schaufelblatthöhe h_ges, veränderlich.

Ein alternativer Verlauf der Aufdickung 11 ist in den Fig. 3a bis 3f gezeigt, wobei hier die die Aufdickung 11 bestimmenden Profilparameter ausgehend vom randnahen Profil­ schnitt P_R ähnlich einer exponentiellen Funktion ohne Wendepunkt stetig abfallen, bis die Profilschnitte P in den Referenz-Profilschnitt P_M übergehen. Die Staffelung und Fädelung der Profilschnitte P wurde dabei gegenüber der ersten Variante nach Fig. 2 unverändert gelassen.

Eine dritte Ausführungsform von einer randnahen Schaufelblattgestaltung ist in den Fig. 4a bis 4c gezeigt. Durch die Fädelung der Profilschnitte P in Umfangsrichtung wird die weitere Formgebung des Schaufelblattes 6''' definiert. Das dort gezeigte Schaufelblatt 6''' weist die gleiche qualitative und quantitative Aufdickung 11 und die gleichen Profil­ schnitte P auf, wie sie in den Parameterverläufen zum ersten Ausführungsbeispiel nach den Diagrammen der Fig. 2e bis 2g zum Ausdruck kommt. Durch die Fädelung der Pro­ filschnitte P, wonach die Schaufelhinterkante 13 eine Gerade bildet, stellt sich die Auf­ dickung 11 in der Draufsicht nach Fig. 4b als druckseitige Aufdickung 11 des Schaufel­ blattes 6''' dar. Bei diesem wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen wurde der Staffelungswinkel β der Profilschnitte P derart gewählt, daß der Einfluß der Aufdickung 11 auf die saugseitige Druckverteilung zu den Profilschnitten P kompensiert oder zu­ mindest die Lage des Druckminimums gegenüber Profilschnitten P_M ohne Aufdickung unverändert bleibt.

Weitere vorteilhafte Schaufelblattgestaltungen ergeben sich durch eine Fädelung der Randschnitte in axialer Richtung unter Ausnutzung von gepfeilten Vorderkanten, wie in Fig. 1 dargestellt. Dabei kann durch die axiale Breite der Profilschnitte zur den Kanalbegrenzungen 8 bzw. 9 zu- oder abnehmen.

Das letzte Ausführungsbeispiel zeigt, daß die Aufdickung 11 druck- und saugseitig aus­ geführt sein kann aber durch die Fädelung der Profilschnitte P in axialer Richtung und in Umfangsrichtung der druck- oder saugseitige Ort der Aufdickung 11 in Fig. 4a nicht unmittelbar erkennbar ist.

Claims (12)

1. Schaufelblatt für Schaufelgitter von Strömungsmaschinen in einem Ringkanal, deren Profilschnitte (P) über die Schaufelblatthöhe (h) unterschiedlich ausgebildet sind, wobei die randnahen Profilschnitte (P_R) an zumindest einer begrenzenden Seitenwand (innere bzw. äußere Kanalbegrenzung 8, 9) des Ringkanals (7) eine strömungsmechanisch günstig wirkende Aufdickung (11) aufweisen, die gegenüber der Kontur eines Referenz-Profilschnittes (P_M) des Schaufelblatts (1) einen vergrößer­ ten Vorderkantenradius (R_N), einen größeren Keilwinkel (γ_N) bzw. (γ_H) an der Vorder- und/oder Hinterkante (12 bzw. 13) und/oder eine größere absolute Profildicke (d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) mit zunehmendem radialen Abstand von der Seitenwand (8 bzw. 9) zumindest abschnittsweise nach einer Übergangsfunktion (T_Ü) abnimmt und die Übergangsfunktion (T_Ü) durch eine Cosinus- oder Tangensfunktion gebildet wird.

2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufdickung (11) vom Vorderkanten- bis zum Hinterkantenbereich erstreckt.

3. Schaufelblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdic­ kung (11) bis zu einer Schaufelblatthöhe (h₁) als zylindrisches oder konisch verlau­ fendes Teilstück (T_Z) ausgebildet ist und die Aufdickung (11) im Anschluß an das Teilstück (T_Z) nach der Übergangsfunktion (T_Ü) ausgeführt ist.

4. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) mit der Aufdickung (11) eine Funktion von der Dicke der Vorgrenzschicht an der Seitenwand (8, 9) ist.

5. Schaufelblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer Auf­ dickung (11) versehenen randnahen Profilschnitt (P_R, P_1-5) innerhalb der Grenz­ schicht an der Seitenwand (8, 9) liegen.

6. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Aufdickung (11) maximal bis zu einer Höhe (h) von der Seitenwand (8, 9) erstreckt, die 30% der Schaufelblatthöhe (h_ges) ent­ spricht.

7. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) derart gestaltet ist, daß die Lage des saugseitigen Druckminimums im wesentlichen unverändert bleibt.

8. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Staffelungswinkel (β) der randnahen Profilschnitte (P_R) gegenüber dem des Referenz-Profilschnitts (P_M) derart gestaltet ist, daß die Länge des saugseitigen Druckminimums im wesentlichen unverändert bleibt.

9. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilschnitte (P) im Übergangsbereich zu den Seiten­ wänden (8, 9) einen Ausrundungsradius aufweisen, welcher der Aufdickung (11) überlagert ist.

10. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine hohle Ausbildung im Bereich der Aufdickung (11) bzw. aufgedickten Profilschnitte (P).

11. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch eine Fädelung in axialer Richtung und/oder Umfangsrichtung im Bereich der Aufdickung (11) bzw. aufgedickten Profilschnitte (P).

12. Schaufelblatt nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) derart gestaltet ist, daß die axiale Abmessung (t) des Profilschnittes (P_R) unverändert bleibt.