DE2034890A1

DE2034890A1 - Schaufel fur Axialstromungsmaschinen

Info

Publication number: DE2034890A1
Application number: DE19702034890
Authority: DE
Inventors: Jack Ambergate Derbyshire Bntt (Großbritannien) P
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-07-21
Filing date: 1970-07-14
Publication date: 1971-02-04
Also published as: FR2053049A1; FR2053049B1

Description

UNSER ZEICHEN:

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England,

Schaufel für Axialströmungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine stromlinienförmig gestaltete Schaufel für Axialströmungsmaschinen, z.B. für einen Verdichter eines Gasturbinenstrahltriebwerks.

Der in der Beschreibung benutzte Ausdruck "-Schaufel" ist im weitesten Sinne zu verstehen und soll sowohl Läuferschaufeln als auch Statorschaufein und Einlaßleitschaufeln umfassen. Außerdem ist die Erfindung sowohl für Verdichterschaufein als auch für Turbinenschaufeln anwendbar.

Die Erfindung ist primär gerichtet auf einen neuartigen Aufbau oder eine Kombination eines Aufbaus und Verfahrensstufen, wie sie in der Beschreibung und/oder der Zeichnung ersichtlich , sind; jedoch in einer speziellen Anwendungsform, die nicht beschränkend für die Erfindung ist, wird eine stromlinienförmig gestaltete Schaufel für eine Axialströmungsmaschine vorgesehen, wobei erfindungsgemäß die Wölbung der Schaufel an wenigstens einem Ende geringer ist als in der Mitte, so daß im Betrieb die Erzeugung von Sekundärströmungswirbeln vermindert wird.

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Vorzugsweise ist die Wölbung an beiden Enden der Schaufel geringer als im Mittelabschnitt.

Das Profil des Hinterrandes.der Schaufel ist vorzugsweise derart, daß die angestrebte Änderung der Krümmung zustandekommt.

So können die Enden des Hinterrandes weggeschnitten werden, um die angestrebte Änderung der Wölbung zu erhalten. Stattdessen oder zusätzlich könnte der Mittelabschnitt des Hinterrandes spiralförmig ausgebildet sein.

Die Erfindung umfaßt eine Axialströmungsmaschine, die mit Schaufeln gemäß obiger Kennzeichnung ausgestattet sind»

Machstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung seigens

Fig. 1 eine schematisehe perspektivische Ansicht eines Ringes von Verdichterläuferschaufeln eines Gasturbinentriebwerks, wobei der Strömungspfad der Luft durch diesen Ring hindurch gekennzeichnet ist, " ...

Fig. 2 eine schematisehe Stirnansicht eines Teils des Ringes nach Fig.l, wobei die Sekundärströmurigswirbel angedeutet sind, die darin erzeugt werden*

Fig.3a eine schematisehe Schnittansicht eines bekannten zweistufigen AxialStrömungsverdichters eines Gasturbinenstrahltriebwerks,

Fig.3b die Geschwindigkeitsdreiecke an verschiedenen Punkten des Verdichters nach Fig.3,

Fig.3c einen Querschnitt des Verdichters nach Fig.3a*

Fig.3d den Pfad, auf dem sich ein Luftpartikel bewegen soll, das den Verdichter nach Fig.3a durchströmt■,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die den Auslegungswert und den tatsächlichen Versuchswert des Winkels «f-* erkennen läßt, unter dem die Luft relativ zur Axialmittellinie

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des Ringes strömt, wenn sie vom Läufer zum Stator in irgendeiner Stufe übertritt, wobei die Ordinate der graphischen Darstellung den Wert des Winkels <oC , darstellt und die Abszisse den Abstand vom radial inneren Ende, .

Fig.5 eine schematische Ansicht der Pfade von Luftpartikeln, die durch unterschiedliche Teile des Ringes strömen,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Läuferschaufel,

Fig.? eine Ansicht der Läuferschaufel gemäß Fig.6 in Richtung des Pfeiles 7 gemäß Fig.6 betrachtet,

Fig*8 eine perspektivische Ansicht einer Statorschaufel in einem der Läuferschaufel gemäß Fig.6 und 7 entsprechenden Aufbau*

Fig.9 eine Ansicht de* in Fig.8 dargestellten Statorschaufel in Richtung des Pfeiles 9 gemäß Fig.8 betrachtet,

Fig.lO eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausgestaltung einer Läuferschaufel gemäß der Erfindung,

Fig.11 eine Ansieht der Laufersehaufel nach Fig.lO in Richtung des Pfeiles 11 gemäß Fig.lO betrachtet,

Fig.12 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Statorschaufel,

Fig.IJ eine Ansicht der Statorschaufel gemäß Fig.12 in Richtung des Pfeiles 13 gemäß 12 betrachtet.

Die Fig.1 und 2 zeigen einen Schaufelring 20, der einen Teil eines Verdichters eines Axialströmungsgasturbinentriebwerks bildet. Dieser Ring wird in der in Fig.l ersichtlichen Darstellung im Uhrzeigersinn gedreht. Jede der Schaufeln 20 weist infolge des stromlinienförmigen Profils eine konkave Druckseite 21 und eine konvexe Saugseite 22 auf. Oemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Schaufeln 20 an ihren radial inneren Enden, · d.h. an den Sehaufelfüßen, durch eine gemeinsame Plattform 23 verbunden und am radial äußeren Ende durch einen gemeinsamen

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Schaufelring 24. Es ist ersichtlich, daß diese Darstellung rein scheraatisch ist.

Bei Verdichtern gemäß Fig.l und 2 haben Versuche gezeigt, daß hohe Temperaturen an den gemeinsamen Schaufelring 24 und an der gemeinsamen Plattform 23 auftreten. Dies hat wiederum eine Temperaturerhöhung der Läuferscheiben bzw. Läufertrommeln (nicht dargestellt) des Verdichters zur Folge und es wird durch die auftretende Temperatur das Drehzahlverhältnis und das Druckverhältnis des Kompressors begrenzt. Die hohen Temperaturen am gemeinsamen Schaufelring 24 und an der gemeinsamen Plattform 23 sind wenigstens teilweise eine Folge der Erzeugung von Sekundärströmungswirbeln 25 (Fig.2) innerhalb der Kanäle 26 zwischen benachbarten Schaufeln 20. Die Wirbel 25 ihrerseits sind das Ergebnis der Ablenkung des Pfades 27 der Luft infolge der Druckdifferenz zwischen der Erhöhung des Druckes an den Druckoberflächen 21 der Kanäle 26 und des Druckabfalls an der Saug» seite 22 der Kanäle "8.6. Diese- Sekundärströmungswirbel 25 prägen sich der abgelenkten Luft auf■ und bleiben erhalten,. selbst wenn die Luft den Ring bereits verlassen hat.

Fig.3a zeigt einen einfachen bekannten zweistufigen Axialströmungsverdichter 30 eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit Lauferschaufein 31,32 und Statorsciiaufeln 33,34. Fig.3b zeigt Vektordiagramme, die die Strumungspfade an dien "Vorderrändern der Schaufeln 31 bis 34 kennzeichnen. Wie aus Fig.3d ersichtlich, besitzt der Nennpfad, d.h. der "Pfad,den.die Luft entsprechend der Schau»- felauslegung nehmen soll, eine Wellenform.

Fig.4 zeigt eine graphische Barstellung, die die Veränderung des Winkels ei , an verschiedenen Punkten des Ringes kennzeichnet.

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Dabei ist ^- der tatsächliche Winkel,unter dem die Luft relativ zu der Axialmittellinie des Ringes verläuft, wenn sie von einer

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Lauferschaufei nach einer Statorschaufel in irgendeiner Stufe übertritt. Der Sollwert des Winkels οέ, ~ ist durch die Linie gekennzeichnet, während der Ist-Wert dieses Winkels'.durch di© Linie 36 dargestellt ist. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß, obgleich es erwünscht ist, daß der Wert des Winkels -oC-x vom inneren Ende nach deni äußeren Ende des Ringes hin konstant bleibt, tatsächlich der Wert des Winkels <x£ , sich beträchtlich von einem Teil des Ringes nach dem anderen ändert, und zwar ist dieser .Wert des Winkels gröfler als der Sollwert an der Innenwand und der Außenwand des Ringes und er ist kleiner als der Sollwert im Mittelabschnitt des Ringes. Diese Divergenzen sind vermutlich für die Wirbel 25 verantwortlich»

In-Fig.5 ist mit dem Bezugszeiehen 37 der Pfad der Luftpartikel über einen Teil 38 (Fig.4) des Verdichters gekennzeichnet, wo die Versuchswerte des Winkels ^ -, mit den Sollwerten übereinstimmen. An der Außenwand des Ringes wird jedoch der Pfad dieser Luftpartikel durch die Linie 39 repräsentiert und, wie aus Fig.5 ersichtlich, ist diese Linie 39 sehr stark verwunden» Im Mittelabschnitt 40 des Ringes wird der Pfad der Luftpartikel durch die Linie 41 dargestellt, die sehr viel weniger gewunden verläuft als die Sollinie*

Die auf den Gasstrom oder den Luftstrom innerhalb des Verdichters ausgeübte Arbeit ist bezogen auf die Läuferschaufeldrehzahl mal Änderung der Wirbelgeschwindigkeit, wenn die Luft irgendeine Stufe durchläuft. Es ist deshalb klar, daß die Luft an der Innenwand und der Außenwand des Ringes beträchtlich mehr Arbeit enthält als die Luft in der Mitte des Ringes. So ist der Einfall der Luft sowohl auf die Läuferschaufein als auch auf die Statorschaufeln unrichtig und dies führt zu einer Verminderung des Wirkungsgrades.-Außerdem führt die erhöhte Arbeit der Luft an den Wänden des Ringes zu hohen Temperaturen in diesen Bereichen. Außerdem kann angenommen werden, daß die Luft, die an der

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Ringwand in den Verdichter eintritt, dicht an dieser Wand verbleibt und demgemäß einen erhöhten Temperaturanstieg über die mittlere Temperatur bei jeder Stufe unterworfen ist«,

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde^ daß es möglich ist, Schaufeln zu schaffen, die eine verminderte Neigung zur Erzeugung von Sekundärströmungswirbeln besitzen^, wenn nämlich erfindungsgemäJ3 die Wölbung dieser Schaufeln an wenigstens einem Ende, vorzugsweise aber an beiden Enden geringer gehalten ist als im Mittelabschnitt. In den Fig.6 bis 13 sind Beispiele- derartiger Schaufeln dargestellt.

Die Fig.6 und 7 zeigen eine stromlinienförmig gestaltete Verdichterläuferschaufel 43 eines Gasturbinenst^ahltriebwerks,■die sich, gemäß Fig.6 im Gegenuhrzeigersinn in Richtung des Pfeiles 44 dreht und den üblichen Schaufelfuß 45^ eine Plattform 46_a einen Vorderrand 47 und eine Schaufelspitze 48 besitzt«,

Wenn die Schaufel 43 von herkömmlicher Gestalt wäre* dann würde sie einen Hinterrand haben, der der stricnlierten Linie 49 (Fig„7) entspricht. Tatsächlich erstreckt siCh₅ wie am besten aus Fig.7 ersichtlich ist_Ä nach der E_rfindung der Hinterrand 50 der Schaufel 43 im Plattformabschnitt 46 und an der Spitze 48 über diese Linie 49 und steht im Mittelabschnitt nach innen ein„ Hierdurch ergibt sich eine Änderung der Krümmung der Schaufel derart, daß die Krümmung in der Mitte am größten und in der Nähe der Plattform 46 und der Spitze 48 am kleinsten ist. So wird bei der Rotorschaufel gemäß Fig.6 und 7 der Hinterland der Schaufel so modifiziert, daß in der Mitte mehr Luft angesaugt wird als an den inneren und äußeren Wänden des Ringes, ohne daß der Vorderrand 47 der Schaufel abgewandelt zu werden braucht« Dadurch wird Im Betrieb die Erzeugung von Sekundärströmungswirbeln 25 vermindert. Die Mitte des Hinterrandes der Schaufel richtet die Luftströmung der Mittelhöhe nach den inneren und äußeren Wänden und so wird die

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Grenzschichtströmung wieder erregt, ohne Sekundärströmungswlrbel 25 einzuführen.

Eine ähnliche Ausbildung ist in den Fig.8 und 9 dargestellt und zwar bei einer Statorschaufel 52 eines Gasturbinenstrahltriebwerivs. Auch hier würde, wie aus Pig.9 ersichtlich, die Schaufel $2 normalerweise einen Hinterrand besitzen, der durch die Linie 53 gekennzeichnet ist. Der tatsächliche Hinterrand 5^ der Schaufel b2 ist jedoch derart abgewandelt, daß die Krümmung der Schaufel an den Enden geringer ist als im Mittelabschnitt, so daß im Betrieb die Erzeugung von Sekundärstromungswirbeln vermindert wird. Außerdem richtet der Mitteiabschnitt des Hinterrandes der Schaufel die Luftströmung in dieser Mittelhöhe nach den innere» und äußeren Wänden und so wird wiederum die Grenzschichtströmung darüber wieder erregt, ohne daß Sekundärströmungswirbel 25 eingeführt werden.

Die Fig*10 und II zeigen den Fig.6 und 7 entsprechende Ansichten einer abgewandelten lauferschaufei eines.Gasturbinentriebwerkes in "der erfindungßgemlBen iusbildung. Die Fig.IO und Il zeigen eine Läufersehaufel 55 mit einem herkömmlichen-. VorderxancL 50 und einem abgewandelten Hinterrand 57·.Der .Hinterrand 57 folgt über den größten Teil der tinie 58, die einem herkömmlichen Hinterrand entspricht. Jedoch sind die beiden Enäen-'des Hinterrandes 58 .so weggeschnitten,. u&ä eine Änderung..der. WUl· bung der Schaufel erfolgt und gleichzeitig erhält der Hlnterrand / im Mittelabschnitt einen eingerollten Abschnitt 60. D.h. die Wölbung wird an den Ringwänden vermindert und im Mitteiabschnitt vergrößert» So wird der Luft im Mittelabschnitt eine größere Ablenkung erteilt als an den Wänden des Ringes.

Die Fig.12 und I3 zeigen eine Verdichterstatorschaufel 6l eines Gasturbinenstrahltriebwerks, deren Konstruktion jener der Läiifersehaufel 55 nach den Fig.10 und 11 entspricht. Demgemäß besitzt,

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in gleicher Weise wie die Läuferschaufel 55, die Statorschaufel 61 einen herkömmlichen Vorderrand 62, jedoch einen abgewandelten Hinterrand 63, der in der Nähe der Enden der Statorschaufein ausgeschnitten und im Mittelabschnitt mit einem eingerollten Abschnitt 64 versehen ist.

Patentansprüche ;

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Claims

Patentansprüche:

(!./Stromlinienförmig gestaltete Schaufel für eine Axialströmungsmaschine,

dadurch g e k e η η ζ e lehn et,

daß die Wölbung der Schaufel (45) an wenigstens einem der Schaufelenden (46,51) geringer ist als im Mittelabschnitt,/so daß im Betrieb "die Erzeugung von Sekundärströmungswirbeln vermindert wird.^;

2. Schaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Schaufel an beiden Enden geringer ist als im Mittelabschnitt.

5. Schaufel nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Hinterrandes (50) der Schaufel derart ist, daß die angestrebte Änderung der "Wölbung zustandekommt.

4. S_ohaufel nach Anspruch 3*

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt des Hinterrandes der Schaufel weggeschnitten ist, um die angestrebte Änderung der Wölbung zu erreichen. -

5. Schaufel nach den Ansprüchen 3 und 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelabschnitt des Hinterrandes der Schaufel eingerollt ist. .

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6.. Schaufel nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Verdichterschaufel eines Gasturbinenstrahltriebwerks ist. .

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