DE19612396A1 - Schaufelblatt mit unterschiedlich ausgebildeten Profilquerschnitten - Google Patents

Description

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

In axialen und geraden Schaufelgittern entstehen bekanntermaßen Sekundärströmungen und Sekundärverluste. 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 Profilsaugseite zur Profildruckseite einer benachbarten Schaufel sich aufbauenden Druckfeld, das im wesentli­ chen durch die Strömung außerhalb der Randzonen bestimmt wird, nicht das Gleichgewicht halten. Als Folge tritt mit der Ausbildung stärker gekrümmter Strombahnen eine Querströ­ mung 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 Randverluste her­ vor. Für die Höhe der Verluste ist die Intensität des Überströmens entscheidend.

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 Schichten des Fluids in der Anströmgrenzschicht in Zonen geringeren Druckes quer zur Hauptströmung aus. In der Symmetrieebene des räumlichen Staugebietes kommt es zu einer Rückströmung. Auf­ grund der Wechselwirkung mit der Außenströmung entsteht ein Wirbelgebilde, das hufeisen­ förmig um das Profil verläuft. Der Hufeisenwirbel besteht somit aus einem saugseitigen und einem druckseitigen Ast. Der saugseitige Wirbelarm verläuft entlang der Profilsaugseite, hat einen gegenläufigen Drehsinn gegenüber dem Kanalwirbel und behindert die Bewegung des Kanalwirbels zur Saugseite. Der druckseitige Ast des Hufeisenwirbels hat innerhalb des Schaufelkanals einen gleichläufigen Drehsinn wie der Kanalwirbel. Es entsteht ein komplexes Wirbelsystem, wobei die einzelnen Wirbel in starker Wechselwirkung miteinander stehen.

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

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaufelblatt anzuge­ ben, dessen Schaufelgeometrie die Sekundärströmung im Sinne einer Minimierung der Schau­ felverluste beeinflußt.

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

Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die wulstartige, aerodynamische gestaltete Aufdickung des Schaufelblattes im saug- und druckseitigen Bereich der Vorderkante das Wirbelsy­ stem in den Randzonen günstig beeinflußt wird. Somit unterscheiden sich die randnahen Profilschnitte durch die erfindungsgemäße Aufdickung gegenüber einem Referenz-Profil­ schnitt. In der Folge wird die Intensität der Sekundärwirbel (Hufeisen/-Kanalwirbel) und deren räumliche Lage geändert, was bei axialen und geraden Schaufelgittern von Turboma­ schinen zu einer Reduzierung der Schaufelgitterverluste führt.

Der Referenz-Profilschnitt P_M ist als Grundprofil zu bezeichnen. Bei einfachen Blattgeome­ trien, z. B. gerade Turbinengitter ist als Referenz-Profilschnitt ein Profilschnitt P_M zu verste­ hen, welcher bei etwa 50% der gesamten Schaufelblatthöhe h_ges zu finden ist und keine Auf­ dickung aufweist.

Schaufelblätter in axialen Strömungsmaschinen weisen dagegen komplexere Schaufelgeome­ trien auf, da die einzelnen Profilschnitte P, die die Schaufelblätter definieren, an die lokal herrschenden Strömungszustände angepaßt sind. Aufgrund der radial veränderlichen Strö­ mungswinkel und -zustände besteht das Schaufelblatt in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelprofilschnitten, die diesen Verhältnissen angepaßt sind und sich entlang der Schaufelhö­ he und insbesondere in ihrer Ausrichtung und Lage ändern. Aerodynamische, mechanische und thermische Belastungen führen u. a. auch zu einer Änderung der Profildicke über die Schaufelblatthöhe. So erfordert die Gasdrucklast bei radial außen am Gehäuse angebrachten Leitschaufeln eine zunehmende Profildicke in Schaufelhöhenrichtung um der Biegebean­ spruchung zu widerstehen. Dagegen weisen Laufschaufeln im Nabenbereich die größte Profil­ dicke auf, um der Fliehkraftbeanspruchung standhalten zu können. Die erfindungsgemäße Aufdickung an den Randzonen ist daher als additive Aufdickung eines Grundprofils zu ver­ stehen, die den zuvor genannten Dickenänderungen des Schaufelblattes überlagert ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 8.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schaufelprofils mit einer Auf­ dickung im Bereich der Vorderkante,

Fig. 2 einen Profilschnitt im Bereich der Aufdickung und

Fig. 3 ein Diagramm mit dem qualitativen Verlauf der Aufdickung über die Schaufel­ blatthöhe h.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Schaufelblatt 1 mit einer Aufdickung 2 im Bereich der Vorderkante 3 des Schaufelblattes 1 dargestellt. Das Schaufelblatt 1 ist Bestandteil eines nicht weiter dargestellten Schaufelgitters einer Strömungsmaschine. An den beiden Randschnitten geht das Schaufelblatt 1 jeweils flächig in die Seitenwände 4 des Schaufelgitters über. Die Aufdickung 2 steht um den variablen Abstand a über einen Referenz-Profilschnitt P_M über, wie aus Fig. 2 deutlich wird. Bei dem vorliegend als Beispiel gewählten geraden Schaufelblatt 1 ist als Referenz-Profilschnitt P_M ein mittlerer Profilschnitt gewählt worden, welcher außerhalb des Randbereiches liegt.

Der Übergang von den aufgedickten, randnahen Bereichen in den nicht aufgedickten Profilbe­ reich ist strömungsmechanisch günstig gestaltet. In Schaufellängsrichtung betrachtet, weist die Aufdickung 2 ein zylindrisches Teilstück T_Z auf, in dem die Abstände a bis zu einer Schaufel­ blatthöhe h₁ konstant sind. Davon unabhängig ist die Variation des Abstandes a über die Profil­ tiefe. Nach diesem Teilstück T_Z folgt ein zweites Teilstück T_Ü, womit der Übergang in den nicht aufgedickten mittleren Blattbereich in Schaufellängsrichtung gestaltet wird. Gemäß der Fig. 3 ist dieser Übergang nach einer Cosinusfunktion gestaltet.

In Fig. 2 wird ein Schnitt P_R durch den aufgedickten, randnähen Bereich des Schaufelblattes 1 gezeigt. Die Aufdickung 2 verläuft um die Vorderkante 3 herum und überragt den vorderen Teil des Referenz-Profilschnitts P_M um den lokal variablen Abstand a. Hierdurch ergibt sich eine Verlängerung der Schaufelblattiefe t um den Abstand a im Nasenbereich gegenüber dem Referenz-Profilschnitt P_M. Die Aufdickung 2 ist nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet und ist in den stromabwärtigen Bereich des Profilschnittes P_R eingestrakt. Die Auf­ dickung erfolgt im vorderen Profilbereich und erstreckt sich bis zum Ort X der größten Profil­ dicke entsprechend der Dickenrücklage.

Die Größe des Abstandes a und der Verlauf um die Vorderkante des Grundprofils ist abhängig von der Grundprofilform im Referenz-Profilschnitt P_M und der Ausbildung des Strömungs­ kanales.

In Fig. 3 werden die die Aufdickung 2 nachbildenden Funktionskurven gezeigt. Durch die Funktion ist der Verlauf der Aufdickung 2 in Schaufellängsrichtung dargestellt. Entsprechend dem Schnitt in Schaufellängsrichtung entstehen Funktionsverläufe, die sich um den Abstand a unterscheiden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Abstand a über die Höhe h₁ konstant. Der Übergang zum Grundprofil wird durch das Teilstück h₂ gebildet und ist im Ausführungs­ beispiel eine Cosinusfunktion. In der Höhe h = h₁ + h₂ wird der Abstand a = 0. Die Höhe h, bis zu der das Schaufelblatt 1 aufgedickt ist, beträgt 8% der gesamten Schaufelblatthöhe.

Claims (8)

1. Schaufelblatt für Schaufelgitter von Strömungsmaschinen, deren Profilschnitte (P) über die Schaufelblatthöhe (h) unterschiedlich ausgebildet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die randnahen Profilschnitte (P_R) an zumindest einer begrenzenden Seiten­ wand (4) des Schaufelgitters um die Vorderkante (3) des Schaufelblattes (1) eine strö­ mungsmechanisch gestaltete Aufdickung (2) aufweisen, die die Kontur eines Refe­ renz-Profilschnitts (P_M) um den variablen Abstand (a) überragen.

2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung mit zu­ nehmender Schaufelblatthöhe (h) nach einer Übergangsfunktion abnimmt.

3. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung bis zu einer Schaufelblatthöhe (h₁) als zylindrisches oder konisch verlaufendes Teilstück (T_Z) ausgebildet ist, deren Abstand (a) von der Schaufelblatthöhe (h₁) unabhängig ist und die Aufdickung (2) im Anschluß an das Teilstücke (T_Z) mit abnehmenden Abstand (a) nach einer Übergangsfunktion (T_Ü) ausgeführt ist.

4. Schaufelblatt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangs­ funktion (T_Ü) durch eine Cosinusfunktion gebildet wird.

5. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) mit Aufdickung (2) eine Funktion von der Dicke der Vorgrenzschicht an der Seitenwand (4) ist.

6. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) spätestens am Ort (X) der Schaufelblattiefe (t) mit der maximalen Profildicke zu Null wird.

7. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufdickung (2) maximal bis zu einer Höhe (h) von der Seitenwand (2) er­ streckt, die 20% der gesamten Schaufelblatthöhe entspricht.

8. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) maximal 10% der Sehnenlänge des Profilschnittes (P_R) beträgt.