DE2824282C2

DE2824282C2 - Lauf- oder Leitrad für eine Axialströmungsmaschine

Info

Publication number: DE2824282C2
Application number: DE2824282A
Authority: DE
Inventors: John Louis Glastonbury Conn. Pannone; Fritz Karl Lebanon Conn. Smakula
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1977-06-09
Filing date: 1978-06-02
Publication date: 1986-09-25
Also published as: JPS545112A; BE867873A; IT7824371A0; US4135857A; CA1106290A; IT1096532B; FR2393930A1; SE7806428L; GB1579109A; DE2824282A1; FR2393930B1

Description

\M\-C-\L\ C + 1

wobei Mdie Differenz zwischen der negativ größten Fertigungstoleranz an der Plattformoberfläche (24) und der positiv größten Fertigungstoleranz an einem Wandsegment (32) ist,

wobei L die Differenz zwischen der positiv größten Plattformoberflächentoleranz und der negativ größten Wandsegmentoberflächentoleranz ist, und
wobei C das gewünschte Verhältnis an den Ecken Die Erfindung betrifft ein Lauf- oder Leitrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine Axialströmungsmaschine hat einen Arbeitsmediumströmungsweg, der sich axial durch die Maschine erstreckt Der Strömungsweg hat eine Innenwand und eine Außenwand. Kränze von Leitschaufeln erstrecken sich von der Außenwand radial einwärts und Kränze von Laufschaufeln von der Innenwand radial auswärts. Jede Leitschaufel hat eine Plattform, die gemeinsam mit dem benachbarten Wandsegment einen Teil der Strömungswegaußenwand bildet Jede Laufschaufel hat eine Plattform, die gemeinsam mit dem benachbarten Wandsegment einen Teil der Strömungsweginnenwand bildet Im Betrieb der Maschine strömt das Arbeitsmedium axial zwischen abwechselnden Kränzen von Leit- und Laufschaufeln hindurch.

Aerodynamisch glatte oder kontinuierliche Strömungswegwände sind erwünscht. Die Plattformen der Leit- und Laufschaufeln sind in bekannten Konstruktionen mit den benachbarten Wandsegmenten zur Bildung der Strömungswegwand glatt verbunden. Bekannte Konstruktionen dieser Art sind in den US-PS 26 63 494, 39 02 824 und 39 04 317 beschrieben. Die Strömungswegwände dieser bekannten Konstruktionen sind zwar als glatte durchgehende Flächen gezeigt, Fertigungstoleranzen an den Plattformoberflächen und an den Oberflächen der benachbarten Wandsegmentc verursachen jedoch Diskontinuitäten längs des Strömungsweges. Die Strömungswegdiskontinuitäten rufen aufgrund des aerodynamischen Widerstandes in dem strömenden Arbeitsmedium Druckverluste hervor, wodurch die Maschinenleistung verringert wird.

Bei einem bekannten Laufrad der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (DE-OS 25 30 049) besteht die Plattformoberfläche aus einer ebenen Fläche, die so geneigt ist, daß die der Austrittskante und der Druckseite des Schaufelblattes benachbarte Ecke der Plattformoberfläche in bezug auf das unmittelbar angrenzende Wandsegment vertieft ist, wodurch der Strömungsweg an dieser Stelle eine derartige Diskontinuität zwischen den benachbarten Oberflächen hat, daß sich ein großer aerodynamischer Widerstand ergibt, der Druckverluste hervorruft und den aerodynamischen Wirkungsgrad der Axialströmungsmaschine verschlechtert
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Lauf- oder Leitrad der gattungsgemäßen Art Druckverlustc aufgrund des aerodynamischen Widerstandes und insbesondere Druckverluste an Oberflächendiskoniinuilätcn zwischen umfangsmäßig benachbarten Wandsegmenten zu verringern, um den aerodynamischen Wirkungsgrad der Axialströmungsmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Bei dem Lauf- oder Leitrad nach der Erfindung ist die

b5 Plattformoberfläche jeder Schaufel so ausgebildet, daß die der Austritiskante und der Druckseite des Schaufelblattes benachbarte Ecke der Plattformoberfläche in bezug auf das unmittelbar angrenzende Wandsegment

erhöhl isl, wodurch an dieser Stelle zwar auch eine Flächendiskontinuität vorhanden ist, der aerodynamische Widerstand und der Druckverlust an dieser Stelle jedoch gering sind, wodurch die Axialströmungsmaschinc einen besseren aerodynamischen Wirkungsgrad erhält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines Teils des Laufrades eines Gasturbinentriebwerks,

F i g. 2 eine Ansicht nach der Linie 2-2 in F i g. 1 und F i g. 3 eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 in F i g. 2.

F i g. 1 zeigt einen Teil des Laufrades 10 eines Gasturbinentriebwerks. Das Laufrad 10 hat mehrere Laufschaufeln 12, die sich von einer Laufradscheibe 16 aus in einen Arbeitsmediumströmungsweg 14 erstrecken. Jede Laufschaufel 12 hat ein Schaufelblatt 18, eine Plattform 20 und einen axialen Fuß 22. Die Plattform 20 hat eine nach außen weisende Oberfläche 24, die aus einer ersten ebenen Fläche 28 und einer zweiten ebenen Fläche 26 besteht. Der Fuß 22 jeder Laufschaufel 12 greift in einen entsprechend geformten Schlitz 30 in der Laufradscheibe 16 ein. Die Laufradscheibe 16 hat eine nach außen weisende Oberfläche 32 zwischen jedem Paar benachbarter Schlitze 30. Die Oberflächen 32 der Laufradscheibc 16 und die Plattformoberflächen 24 der Laufschaufeln 12 sind Wandsegmente, die gemeinsam einen Teil 34 der Innenwand des Arbeitsmediumströmungsweges 14 bilden.

Gemäß Fig. 2 hat jede Laufschaufel 12 eine Druckseite 40 und eine Saugseite 42. Die Plattformoberfläche 24 jeder Laufschaufel 12 hat eine der Eintrittskante und der Druckseite 40 des Schaufelblattes 18 benachbarte Ecke 44, eine der Austrittskante und der Druckseite 40 des Schaufelblattes 18 benachbarte Ecke 46, eine der Eintrittskante und der Saugseite 42 des Schaufelblattes 18 benachbarte Ecke 48 und eine der Austrittskante und der Saugseite 42 des Schaufelblattes 18 benachbarte Ecke 50. Jede ebene Fläche 26 geht durch die Ecke 46 und die Ecke 48 der Plattformoberfläche 24. Jede ebene Fläche 28 geht durch die Ecke 48, die Ecke 50 und die Ecke 46 der Plattformoberfläche 24.

Gemäß Fig. 3 ist der Schnittwinkel zwischen jeder ebenen Fläche 26 und der entsprechenden ebenen Fläche 28 ein eingeschlossener Winkel Φ, der kleiner als 180" ist.

Gemäß Fig. 2 befindet sich zwischen jeder ebenen Fläche 26 und der benachbarten Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 eine druckseitige Grenzfläche P. Zwischen jeder ebenen Fläche 28 und der benachbarten Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 befindet sich eine saugseitige Grenzfläche 5.

Gemäß Fig. 1 ist jede Ecke 48 gegen die benachbarte Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 um eine Strecke U und jede Ecke 50 gegen die benachbarte Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 um eine Strecke D versetzt. Jede Fxke 44 ist gegen die benachbarte Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 um die Strecke D und jede Ecke 46 gegen die benachbarte Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 um die Strecke U versetzt.

Die Laufschaufeln 12 lenken während des Betriebes der dargestellten Axialströmungsmaschine das Arbeitsmedium um. Flächendiskontinuitäten an der druckseitigen Grenzfläche fund der saugseitigen Grenzfläche 5 rufen aufgrund des aerodynamischen Widerstandes Druckverluste in der Arbeitsmediumströmung hervor.

In Bereichen R paralleler Strömung kreuzt das Arbeitsmedium eine Grenzfläche, und der Druckverlust ist vernachlässigbar. Die Druckverluste sind längs der Grenzfläche /'. S auf beiden Seiten der Bereiche R paralleler Strömung, wo die Strömung eine Diskontinuität kreuzt, beträchtlich.

Das Arbeitsmedium trifft auf eine radiale Erhöhung, wenn die Strömung an einer Grenzfläche eine Aufwärtsstufe nimmt, und auf eine radiale Absenkung, wenn die Strömung an einer Grenzfläche eine Abwärtsstufe nimmt. Da der Widerstandsbeiwert für eine radiale Erhöhung doppelt so groß ist wie der Widerstandsbeiwert für eine radiale Absenkung, ist es aerodynamisch günstiger, die Strömung über eine radiale Absenkung statt über eine radiale Erhöhung von äquivalenter Größe zu leiten.

Gemäß den F i g. 1 und 2 geht an jeder saugseitigen Grenzfläche 5 das von der Plattformoberfläche 24 zu der Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 strömende Arbeitsmedium über eine erste radiale Absenkung an dem stromaufwärtigen Ende der Grenzfläche 5 und über eine zweite radiale Absenkung an dem stromabwärtigen Ende der Grenzfläche S hinweg. An der der Eintrittskante und der Saugseite 42 des Schaufelblattes 18 benachbarten Ecke 48 der Plattform 20 fällt das Arbeitsmedium um die Strecke i/über der ersten radialen Absenkung. An der der Austrittskante und der Saugseite 42 des Schaufelblattes 18 benachbarte Ecke 50 der Plattform 20 fällt das Arbeitsmedium um die Strecke D über der zweiten radialen Absenkung. Aufgrund dieser Konstruktion ist jede Diskontinuität an der Grenzfläche 5 eine radiale Absenkung statt eine radiale Erhöhung. Eine Leistungseinbuße an einer Aufwärtsstufe ist also durch eine geringere Leistungseinbuße an einer Abwärtsstufe ersetzt worden.

Fertigungstoleranzen rufen von Haus aus eine Abweichung von dem dargestellten Nennzustand hervor. Wenn beispielsweise die Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 an ihrer positivsten Toleranz ist, ist die Oberfläche 32 an der Grenzfläche S gegenüber der dargestellten Stellung angehoben. Die Strömung an der Grenzfläche 5 trifft auf eine um die Strecke U an der Ecke 48 erniedrigte radiale Erhöhung und auf eine an der Ecke 50 um die Strecke D erhöhte radiale Absenkung. Es ist zu erkennen, daß diese vorteilhafte Beziehung eine Gesamtverringerung der Druckverluste aufgrund des aerodynamischen Widerstandes ergibt, wenn die Strecke D und t/bei allen Fertigungstoleranzänderungen der betreffenden Bauteile angewandt werden.

Die Größe jeder radialen Absenkung wird durch Vergleichen der Position der Plattformoberfläche 24 mit der Position der Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 ermittelt. Ebenso wird die Größe jeder radialen Erhöhung durch Vergleichen der Position der Plattformoberfläche 24 mit der Position der Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 ermittelt. Für eine von der Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 zu der Plattformoberfläche 24 gehende Strömung tritt die maximale radiale Absenkung (Abwärtsstufe) auf. wenn die Oberfläche 32 ihre positiv größte Toleranz hat und wenn die Plattformoberfläche 24 ihre negative größte Toleranz hat. Die maximale radiale Erhöhung (Aufwärtsstufe) ergibt sich, wenn die Oberfläche 32 ihre negativ größte Toleranz hat Ui.J wenn die Platiformoberfläche 24 ihre positiv größte Toleranz hat. Bei einer von der Plattformoberfläche 24 zu der Oberfläche 32 der Laufradscheibe 16 gehenden Strömung tritt maximale radiale Absenkung (Abwärtsstufe) auf. wenn die Plattformoberfläche 24 ih-

re positiv größte Toleranz und die Oberfläche 32 ihre negativ größte Toleranz hat. Die maximale radiale Erhöhung (Aufwärtsstufe) tritt auf, wenn die Plattformoberfläche 24 ihre negativ größte Toleranz und die Oberfläche 32 ihre positiv größte Toleranz hat.

Gemäß F i g. 2 fällt der Kreuzungspunkt zwischen der Plattformoberfläche 24 und der Laufradscheibenoberfläche 32 in den Bereich R paralleler Strömung. Wenn der Kreuzungspunkt außerhalb des Bereiches R paralleler Strömung liegt, trifft die Strömung auf einem Teil der Grenzfläche auf eine radiale Erhöhung, bevor die Strömung auf eine radiale Absenkung trifft. Bevorzugte relative Größen der Strecken D und U werden so gewählt, daß der Kreuzungspunkt innerhalb des Bereiches R paralleler Strömung gehalten wird.

Die Versetzungsstrecken D und i7sind durch die Verwendung der im folgenden angegebenen Formeln berechenbar. Die Versetzungsstrecke an der Ecke 48 und an der Ecke 46 ist U. Die Versetzungsstrecke an der Ecke 50 und an der Ecke 44 ist D. Alle Toleranzen und Versetzungsstrecken werden in bezug auf die untolerierte Ebene der Laufradscheibe 16 gemessen. Die Formeln für die Strecken t/und Diauten:

■ ■ I · |M| — \U\

^υ- C+ ι

^υ~

c+ ι

30

wobei M die Differenz zwischen der negativ größten Fertigungstoleranz an der Plattformoberfläche 24 und der positiv größten Fertigungstoleranz an der Laufradscheibenoberfläche 32 ist,

wobei L die Differenz zwischen der positiv größten Plattformoberflächenfertigungstoleranz und der negativ größten Laufradscheibenoberflächenfertigungstoleranz ist. und

wobei C das an den Ecken gewünschte Verhältnis der maximalen radialen Absenkung zur maximalen radialen Erhöhung ist.

Die Versetzung an den Ecken wird so gewählt, daß sich eine radiale Absenkung ergibt, die doppelt so groß ist wie die maximale radiale Erhöhung an dem Grenzwert der Toleranzen. Demgemäß bewirkt die Versetzung. daß der Druckverlust an den Ecken für die maximale radiale Erhöhung derselbe ist wie für die maximale radiale Vertiefung. Wenn M gleich L ist und wenn C gleich 2,0 ist, befindet sich jeder Kreuzungspunkt in dem Mittelpunkt der betreffenden Grenzfläche und innerhalb des Bereiches R paralleler Strömung. Jeder größere Wert von Cverlegt jedoch jede Diskontinuität an der Grenzfläche in Richtung einer radialen Absenkung statt in Richtung einer radialen Erhöhung.

Der Schnittwinke! Φ ist aus den Strecken U und D berechenbar. F i g. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Schnittwinkel Φ, der ebenen Fläche 26 und der ebenen Fläche 28. Schnittwinkel Φ in dem Bereich zwischen 17Γ und 178,5° werden bevorzugt, wobei der genaue Schnittwinkel von den physikalischen Beziehungen der Plattformelemente abhängig ist.

Die Plattformoberfläche 24 kann auch aus mehr als zwei Ebenen gebildet werden. Außerdem können auch die benachbarten Laufradscheibenoberflächen 32 abgewinkelt sein, um die bevorzugte Versetzung zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lauf- oder Leitrad für eine Axialströmungsmaschine, mit mehreren umfangsmäßig benachbarten Wandsegmenten (24,32), von denen eines oder mehrere (24) einen axialen Fuß (22) und radial anschließend eine Plattform (20) und ein Schaufelblatt (18) haben, wobei die der Eintrittskante und der Saugseite (42) des Schaufelblattes (18) benachbarte Ecke (48) der Plattformoberfläche (24) in bezug auf das unmittelbar angrenzende Wandsegment (32) erhöht ist. dadurch gekennzeichnet, dsß die der Austrittkante und der Druckseite (40) des Schaufelblattes (18) benachbarte Ecke (46) der Plattformoberfläche (24) in bezug auf das unmittelbar angrenzende Wandsegment (32) erhöht ist.

2. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Eintrittskante und der Druckseite benachbarte Ecke (44) der Plattformoberfläche (24) und die der Austrittkante und der Saugseite benachbarte Ecke (50) der Plattformoberfläche (24) gegenüber dem unmittelbar benachbarten Wandsegment (32) vertieft sind.

3. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Plattformoberfläche (24) aus wenigstens zwei einander schneidenden ebenen Flächen (26,28) gebildet ist.

4. Lauf- oder Leitrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Plattformoberfläche (24) aus einer ersten ebenen Fläche (28), die durch die Ecke (48) benachbart der Eintrittskante und der Saugseite, die Ecke (46) benachbart der Austrittskante und der Druckseite und die Ecke (50) benachbart der Austrittskante und der Saugseite hindurchgeht, und aus einer zweiten ebenen Fläche (26) gebildet ist, die durch die Ecke (44) benachbart der Eintrittskante und der Druckseite, die Ecke (46) benachbart der Austrittskante und der Druckseite und die Ecke (48) benachbart der Eintrittskante und der Saugseite hindurchgeht.

5. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Schnittwinkel (<P) zwischen der ersten ebenen Fläche (28) und der zweiten ebenen Fläche (26) in einem Bereich von 171° bis 178,5° liegt.

6. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Schnittwinkel (Φ) ungefähr 175° beträgt.

7. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Eintrittskante und der Druckseite benachbarte Ecke (44) und die der Austrittkante und der Saugseite benachbarte Ecke (50) jeder Plattformoberfläche (24) um die Strecke |D| vertieft sind, die gemäß folgender Formel berechenbar ist

der maximalen radialen Vertiefung zu der maximalen radialen Erhöhung ist

8. Lauf- oder Leitrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis C ungefähr gleich zwei ist