DE3530769A1

DE3530769A1 - Stromlinienkoerper fuer turbinentriebwerke

Info

Publication number: DE3530769A1
Application number: DE19853530769
Authority: DE
Inventors: John Charles Spondon Derby Cox; Martin Allestree Derby Hamblett; Stephen Edward Littleover Derby Morgan; Alfred Littleover Derby Rubini
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1986-03-20
Anticipated expiration: 2005-08-29
Also published as: JP2753217B2; DE3530769C2; JPS6166801A; US4714407A; FR2574114B1; FR2574114A1; GB2164098B; GB2164098A

Description

Stromlinienkörper für Turbinentriebwerke

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf im Querschnitt stromlinienförmige Körper, die allgemein bei Gasturbinentriebwerken oder anderen Strömungsmaschinen benutzt werden. Diese Stromlinienkörper umfassen die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln der Turbine oder der Turbinen eines Turbinentriebwerkes. Die Erfindung ist außerdem in abgewandelter Form für Schaufeln eines Axialströmungskompressors anwendbar.

Die Funktion der Turbinenrotorschaufeln besteht darin, Energie aus den heißen, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Antriebsgasen mit größtmöglichem Wirkungsgrad abzuziehen, um die Turbine und den zugeordneten Kompressor oder Propeller oder irgendein anderes Energieabsorptionssystem anzutreiben. In gleicher Weise empfangen die Statorschaufeln die Antriebsgase und lenken die Gase mit der erforderlichen Richtung auf die stromabwärtige Rotorschaufelreihe.

Aus Zweckmäßigkeitsgründen soll der Ausdruck "Stromlinienkörper" oder "Strömungskörper" sowohl Rotorschaufeln als auch Statorschaufeln umfassen.

Der Energieaustausch und die Energieübertragung ist mit thermodynamisehen, aerodynamischen und mechanischen Verlusten verknüpft. Die aerodynamischen Verluste umfassen Verluste infolge der Sekundärströmungen in den Kanälen zwischen benachbarten Schaufeln.

Sekundärströmungen werden zum Zwecke der Beschreibung dieser Erfindung als jene Strömungen behandelt, deren Geschwindigkeitsvektoren wesentlich von den beabsichtigten Hauptstromungsvektoren des Antriebsgases abweichen. Diese Strömungen können zwischen der Saug- und Druckoberfläche benachbarter Schaufeln in Umfangsrichtung und zwischen den Schaufelfüßen und Schaufelspitzen in Radialrichtung verlaufen und sie werden durch statische Druckdifferentiale in benachbarten Strömungskörperkanälen verursacht.

Die Kanäle, durch die die Antriebsgase strömen, werden durch die Druck- und Saugoberflächen benachbarter Stromlinienkörper und durch einen inneren und einen äußeren Schaufelring begrenzt, die in Umfangsrichtung bzw. Axialrichtung verlaufen. Einige dieser Begrenzungswände können geneigt sein, um einen Kanal konstanter radialer Tiefe oder veränderlicher radialer Tiefe zu bil-

den und diese Charakteristiken sind bekannt als "Ringerweiterung" oder "Geometrische Neigung".

Jeder Stromlinienkörper kann eine eingebaute Verdrillung aufweisen, die vom Schaufelfuß nach der Spitze verläuft und deren Zweck darin besteht, die Gasströmung so zu verteilen, daß eine vorbestimmte Arbeit an den verschiedenen Stellen längs der Spannrichtung geleistet wird.

Die Kombination von Schaufelverdrillung und Ringerweiterung führt allgemein zu einem Kanal komplexer Formen. Die mittlere Stromlinie, die diesem Kanal zugeordnet ist, kann auf irgendeiner allgemeinen Drehoberfläche liegen und nicht auf einer einfachen zylindrischen Oberfläche. Die Querschnittsgestalt dieses Kanales normal zu dieser mittleren Stromlinie kann sich in der Form vom Einlaß nach dem Auslaß ändern.

Die Kombination von Verdrillung und Ringerweiterung führt zu einem Kanal, der allgemein keinen einfachen konstanten Querschnitt in Axialrichtung und in Umfangsrichtung besitzt, sondern eine Komponente in Radialrichtung aufweist, wobei der Kanal in Richtung der Gasströmung verdrillt ist und sich in seiner Querschnittsgestalt vom Einlaß nach dem Auslaß ändert. Die Strömung kann verbessert werden und die Sekundärströmungen können vermindert werden, indem Sorge dafür getragen wird, daß der Winkel zwischen der Begrenzung und den Wänden der Stromlinienkörper 90 beträgt,

wodurch gewährleistet wird, daß die Kraft der Strömungskörper, die normal zu den Wänden der Strömungskörper wirkt, nicht irgendeine Komponente erzeugt, die von der beabsichtigten Hauptströmungsrichtung des Gases divergiert.

Bisher war es üblich, Stromlinienkörper dadurch zu entwerfen, daß Oberflächen über eine Anzahl von Elementarstromlinienkörperschnitten gelegt wurde, die übereinander gestaffelt um eine radiale Stapelachse angeordnet wurden. Die einzelnen Schnitte wurden so gestaltet, daß sie den örtlichen aerodynamischen Erfordernissen entsprachen und derart, daß eine gerade Vorderkante und eine gerade Hinterkante entstand, wenn die Schnitte gestaffelt übereinandergefügt wurden. Die sich hierdurch ergebenden Druck- und Saugoberflächen besitzen gewöhnlich nur eine geringe Krümmung oder Neigung in Radialrichtung und in Axialrichtung. Stromlinienkörper, die auf diese Weise entworfen wurden, haben in annehmbarer Weise gearbeitet, aber sie leiden unter Abweichungen von der beabsichtigten Gasströmungsverteilung und erzeugen mehr als den minimalen Pegel von Sekundärströmung, die von fundamentaler Bedeutung im Hinblick auf eine Ablenkung der Gase sind. Daraus ergibt sich ein beträchtlicher und unnötiger Verlust an Wirkungsgrad.

Mit den ansteigenden Brennstoffkosten wird es immer wichtiger, den Wirkungsgrad der Triebwerke zu erhöhen, um den Brennstoffverbrauch zu verringern.

Der Wirkungsgrad kann dadurch verbessert werden, daß die Wirksamkeit der verschiedenen Bauteile des Triebwerks verbessert wird, z.B. die Stromlinienkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromlinienkörper mit verbessertem Einzelwirkungsgrad zu schaffen, bedingt durch bessere Steuerung der Strömungsverteilung und Verminderung bei der Erzeugung von Sekundärströmungen.

Es wird vorgeschlagen, die Form der Kanäle zu ändern, um eine unerwünschte Rückverteilung der Strömung und der Sekundärströmung zu vermeiden, indem die Stromlinienkörper entsprechend ausgebildet werden, die diese Kanäle definieren.

Es wird weiter vorgeschlagen, die Elementarschnitte des Stromlinienkörpers so zu staffeln, daß bei wenigstens einer Anordnung die Begrenzungswände im wesentlichen normal zum Hinterrand des Stromlinienkörpers und benachbarten Stromlinienkörperoberflachen verlaufen.

Insbesondere können die Hinterränder der Stromlinienkörper schnitte, die den Stromlinienkörper bilden, derart angeordnet werden, daß jeder Hinterrandschnitt normal zu der örtlichen Stromlinie der Antriebsgase verläuft. Innerhalb dieses Rahmens können die Schnitte auf verschiedene Weise gestaffelt werden.

Die StromlinienkörperSChnitte können so gestaf-

felt werden, daß die Hinterränder in einer Radialebene gestaffelt sind, die die Triebwerksachse enthält. Eine solche Anordnung erzeugt einen Stromlinienkörper mit einem Hirterrand, der wahrscheinlich in Seitenansicht gekrümmt ist, d.h. im Axialsinn und die Druck- und Saugoberflächen sind wahrscheinlich in Frontansicht, d.h. in Radialsinn gekrümmt.

Die Hinterränder der Schnitte können ebenfalls in einer Ebene gestaffelt werden, die normal zur Triebwerksachse verläuft. Diese Anordnung erzeugt einen Stromlinienkörper, der wahrscheinlich einen gekrümmten Hinterrand hat und bei dem örtliche Stromlinien normal zum Hinterrand verlaufen bei einer Betrachtung in Richtung parallel zur Ebene, die die geometrische Einschnürung des Stromlinienkörperkanals enthält. Der Hinterrand wird im Axialsinne gerade mit Ausnahme von Verbindungen mit den Begrenzungswänden und die Druck- und Saugoberflächen werden wahrscheinlich im radialen Sinn gekrümmt .

Die Hinterrandschnitte können ebenfalls in irgendeiner Ebene gestaffelt sein, die zwischen den Ebenen liegt, welche die Triebwerksachse und die Ebene normal zur Triebwerksachse umfassen. Diese Anordnung erzeugt ebenfalls wahrscheinlich einen Stromlinienkörper, dessen Hinterrand normal zu den örtlichen Stromlinien in einer Richtung normal oder fast normal zu der Oberfläche des Stromlinienkörpers am Hinterrand verläuft.

Demgemäß schafft die Erfindung im breitesten Sinne einen Stromlinienkörper für ein Gasturbinentriebwerk, der ein aerodynamisches Profil besitzt, das durch eine Anzahl elementarer Stromlinienkörperschnitte definiert ist, die relativ zueinander gestaffelt sind, wobei die Hinterränder der elementaren Stromlinienschnitte so angeordnet sind, daß sie die Hinterkante des Stromlinienkörpers definieren und diese Hinterkante bildet eine Begrenzung der geometrischen Einschnürung zwischen benachbarten Strömungskörpern bei einer Reihe von solchen Strömungskörpern, wobei die örtlichen Stromlinien der Gasströmung durch die Einschnürung normal zum Hinterrand des Stromlinienkörpers am-Schnittpunkt verlaufen.

Die Hinterkanten der elementaren Stromlinienkörperschnitte können in einer Radialebene gestaffelt werden, die die Längsachse des Triebwerks umfaßt oder in einer Ebene normal zur Triebwerkslängsachse oder in einer Ebene, die zwischen der Ebene liegt, die die Triebwerkslängsachse umfaßt und einer Ebene, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft.

Je nach der Art der Staffelung der Hinterkanten der elementaren Stromlinienkörperschnitte werden wahrscheinlich die Hinterkanten in axialer Richtung oder in radialer Richtung oder sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung gekrümmt.

Es ist möglich, daß nicht nur die lokalen Stromlinien normal zur Hinterkante verlaufen, wie dies

oben definiert wurde, sondern auch die örtlichen Stromebenen in einer Umdrehungsoberfläche, die die betrachteten Stromlinien enthält.

Zusätzlich kann die Vorderkante des Stromlinienkörpers in Axialrichtung oder in Radialrichtung gekrümmt sein.

Die Erfindung kann für statische und drehbare Strömungskörper Anwendung finden und ist insbesondere anwendbar für Turbinendüsenleitschaufeln, Turbinenrotorschaufeln und Turbinenstatorschaufeln. Im Falle der Anwendung bei Turbinenrotorschaufeln wird das Ausmaß der Krümmung sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung oder in beiden Richtungen begrenzt im Vergleich zu Statorschaufeln und zwar wegen der auftretenden Schaufelbelastungen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Ansicht

eines Gasturbinentriebwerks bei dem die Erfindung Anwendung finden kann.

Fig. 2 Die Grundform vorliegender

Erfindung in der Anwendung auf eine Düsenleitschaufel.

Fig. 3 Eine schematisehe Seitenan

sicht einer Turbine mit einer Ausführungsform eines stromlinienförmigen Körpers gemäß der Erfindung.

Fig. 4, 5, 6 Schematische Darstellungen, die

die Zeichendefinition und Nomen klatur erkennen lassen, die in Verbindung mit Stromlinienkörpern gemäß der Erfindung benutzt werden.

Fig. 7,8,9 Eine Seitenansicht bzw. eine Vor

deransicht eines der stromlinienförmigen Körper gemäß Fig. 3.

Fig. 10 A Eine Grundrißansicht von drei

ElementarStromlinienkörperschnitten eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 10 B Eine Rückansicht des stromlinien

förmigen Körpers gemäß Fig. 10 A.

Fig. 10 C Eine Ansicht des Stromlinienkör

pers gemäß Fig. 10 A, betrachtet längs einer Linie parallel zu der Einschnürung, die zwischen zwei benachbarten Stromlinienkörpern ausgebildet ist.

Fig. 10 D Eine Seitenansicht des Strom

linienkörpers gemäß Fig. 10 A.

Fig. 10 E Eine Ansicht normal zur Ein

schnürung zwischen benachbarten stromlinienförmigen Körpern, von denen einer in Fig. IO A dargestellt ist.

Fig. 11 A - 11 E Den Ansichten 10 A - 10 E ähnliche Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 12 A - 12 E Den Ansichten 10 A - 10 E entsprechende Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Gasturbinentriebwerk 10 mit einem von einer Niederdruckturbine 14 über eine Welle 16 angetriebenen Gebläse 12, mit einem durch eine Zwischendruckturbine 20 über eine Welle 22 angetriebenen Mitteldruckkompressor 18 und mit einem Hochdruckkompressor 24, der über eine Welle 28 durch eine Hochdruckturbine 26 angetrieben wird. In einer Verbrennungseinrichtung 30 wird Brennstoff mit der vom Hochdruckkompressor gelieferten Luft verbrannt, um die Antriebsgase für die Turbinen 26, 20 und 14 zu erzeugen.

Die heißen Gase strömen zwischen den Auslaßleit-

schaufeln 31 hindurch und werden über eine Düse 32 ausgestoßen, die einen Teil der Schubkraft liefert. Die größere Schubkraft wird durch die große Masse der sich relativ langsam bewegenden Luft geliefert, die aus einer Gebläsedüse 34 ausgestoßen wird.

Um eine Fehlverteilung der Gasströmungen und der Sekundärströmungen in bezug auf die Lauf- und Leitschaufeln der Turbinen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, daß die Begrenzungswände und die Oberflächen der Stromlinienkörper normal zueinander verlaufen und daß die Hinterränder der Stromlinienkörper im Raum richtig orientiert sind, um zwei spezielle Erfordernisse zu erfüllen.

Erstens sollte zur Optimierung des Verfahrens der Durchtritt zwischen benachbarten Stromlinienkörpern normalerweise nicht konvergent-divergent verlaufen, d.h. die geometrischen Orthogonalen an der Einschnürung in Spannrichtung sollten den Hinterrand schneiden, wobei eine Orthogonale als eine Linie definiert ist, die normal zu der mittleren Strömungslinie verläuft, die im wesentlichen in der Strömungsebene liegt.

Zweitens sollten die Elementarschnitte der Stromlinienkörper so gestaffelt sein, daß die sich ergebende geometrische Einschnürungsfläche zwischen den Stromlinienkörpern so im Raum orientiert ist, daß die Stromlinien die Einschnürung in der gewünschten Richtung verlassen.

Wenn diese beiden Bedingungen bei Turbinen-Strö-

mungskörpern erfüllt sind, welche die Bedingung definieren, die als "Hinterrand-Orthogonalität" bekannt ist, folgt, daß der Hinterrand des Strömungskörpers eine Seite des geometrischen Einschnürung sfensters begrenzt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Zeichendefinition der Strömung und die Richtungen des Hinterrandes des Stromlinienkörpers in der X-Y, Z-Y und X-Z Ebene. Damit jedes Element des Hinterrandes einen Rand des geometrischen Exnschnürungsfensters bildet und normal zu dem örtlichen Stromliniensektor steht, muß die Stromlinienorthogonalitäts bedingung erfüllt sein, so daß

tan & + tan X. =. tan <x,p tan (Gleichung 1)

Dabei ist $" : der örtliche axiale Neigungswinkel

des Hinterrandes ά : örtlicher tangentialer Neigunswinkel

des Hinterrandes

A, : örtlicher Radialwinkel der Gasströmung

<xP : örtlicher Wirbelwinkel in der Ebene der Gasströmung

Um weiterhin die Sekundärströmungen zu begrenzen, ist es notwendig, die radialen Druckgradienten zu steuern, die auf die Strömung in dem Kanal einwirken. Zu diesem Zweck sollten die Oberflächen der Stromlinienkörper im Raum so orientiert sein, daß sie normal zu dem voraussichtlichen örtlichen

Stromplan im Kanal stehen. Infolgedessen muß die zusätzliche Strömungsorthogonalitätsbedingung am Hinterrand erfüllt sein, d.h.

"= - Λ (Gleichung 2)

wobei die Gleichungen (1) und (2) kombiniert werden und φ = O.

Dann können Elemente des geometrischen Einschnürungsfensters, die in einer Ebene entwickelt und betrachtet werden, als im wesentlichen rechteckig in ihrer Form beschrieben werden.

Ähnliche Bedingungen gelten für andere Kanalquerschnitte, die so rechteckig als möglich sein sollten. So muß bei einem annähernd rechteckigen Kanal am Vorderrand des Stromlinienkörpers dieser Vorderrand eine tangentiale Steigung von Null haben und eine axiale Neigung von entgegengesetztem Vorzeichen zur örtlichen Stromlinie.

Stationäre Stromlinienkörper, die als Düsenleitschaufeln oder Statorschaufeln bekannt sind, werden gewöhnlich am Hinterrand gestaffelt und können so gestaffelt werden, daß die Orthogonalitätsbedingungen am Hinterrand erfüllt werden. Es ist schwieriger aber nicht notwendigerweise unmöglich, diese Bedingungen für Stromlinienkörper zu erfüllen, die sich drehen und als Rotorschaufeln bekannt sind. Diese Schaufeln sind im allgemeinen über den Flächenschwerpunkt oder eine benachbarte Radiallinie gestaffelt, um die Zentrifugalbelastun-

gen und Gasbelastungen auszugleichen.

Die Staffelung der elementaren Stromlinienkörperschnitte ist so getroffen - daß nicht nur die Hinterrandorthogonalitätsbedingung und/oder die Rechteckkanalbedingung erfüllt wird, sondern auch eine oder mehrere der folgenden Bedingungen:

a) die Anordnung eines inneren Kühlrohres und andere Kühlmerkmale

b) die Notwendigkeit einer Anpassung an die Belastung des Lageraufbaues vorzunehmen und eine Wartung über die Schaufeln durchführen zu können

c) Herstellungserfordernisse

d) Beanspruchungserfordernisse

e) Vibrationserfordernisse

Die Hinterrandorthogonalität (Gleichung (1) und (2)) sollte vorzugsweise für jede elementare Einschnürungsfensterfläche erfüllt sein, was oft dazu
führt, daß die Hinterränder gekrümmt sind, wie
schematisch in Fig. 3 angedeutet. In diesem Falle haben sowohl die Statorstromlinienkörper als auch die Rotorstromlinienkörper 36 bzw. 3 8 gekrümmte
Vorder- und Hinterränder und das Einschnürungsfenster zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Stromlinienkörpern ist im wesentlichen rechteckig.

Die stromlinienförmigen Körper von Stator und Rotor

bilden einen Teil der Turbine eines Gasturbinentriebwerks 10. Eine äußere ringförmige Begrenzungswand 40, eine innere ringförmige Begrenzungswand 42 definieren einen ringförmigen Strömungskanal· 44 für den Durchfluß der Antriebsgase. Die Linien S-. , S~ usw. sind sämtlich Stromlinien,
die auf in Umfangsrichtung axial verlaufenden
Stromebenen liegen.

Die Stromlinien schneiden sämtlich die Hinterränder von Stator— und Rotorstromlinienkörpern
36, 3 8 unter einem Winkel von 90° oder etwa 90°, im wesentlichen über die gesamte Bogenseite der
Stromlinienkörper. Die Vorderränder der Stromlinienkörper sind ebenfalls in ähnlicher Weise wie die Hinterränder gekrümmt und dies ist zweckmäßig, aber nicht wesentlich. Wenn die Stromlinien keine geeignete Radialkomponente aufweisen, kann es möglich sein, daß die Stromlinienkörper nur
einen geraden Hinterrand aufweisen, der axial derart angestellt ist, daß die mittlere Strömungslinie normal zum Hinterrand verläuft. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, wo eine Düsenleitschaufel 35 einen geraden Hinterrand aufweist, der so geneigt ist, daß er normal zur mittleren Stromlinie verläuft. Das geometrische Einschnürungsfenster zwischen benachbarten Schaufeln 35 ist etwa rechteckig. Wenn die Erfindung nicht bei einer Turbinenanordnung angewendet wird, die einen beträchtlichen Neigungswinkel besitzt und
bei der die Stromlinien beträchtliche radiale
Strömungskomponenten aufweisen, dann wird vermu-

tet, daß ein Leistungsverlust eintreten könnte.

Z.B. soll eine Anordnung betrachtet werden, die einen Stromlinienkörper umfaßt, der gerade Vorder- und Hinterränder besitzt, die beide auf rein radialen Linien liegen, wobei dieser Körper zwischen ringförmigen Begrenzungswänden liegt. Die Innenwand divergiert mit einer grösseren Rate als die Außenwand und die Stromlinien, die näher zur Innenwand liegen, divergieren mehr von der normalen nach dem Hinterrand als jene, die der Außenwand näher liegen.

Die Auswirkungen einer solchen Anordnung können zu zwei schädlichen Bedingungen führen, die entweder getrennt oder zusammen auftreten. Eine stromaufwartige Einschnürung könnte ausgebildet werden, die anzeigt, daß der Hinterrand nicht mehr einen Rand des Einschnürungsfensters definiert und daß sinngemäß der Stromrohrkanal eine Konvergent-Divergent-Form angenommen hat. Dies wird wahrscheinlich zu einem Wirkungsgradverlust führen.

Die Gasströmung kann die Stromlinienkörper nicht mit der beabsichtigten Stromlinienrichtung verlassen und dies könnte zu einer Strömungstrennung und einer Strömungsstörung führen, was wiederum zu einem Leistungsverlust führt.

Die Stromliniendarstellung nach Fig. 3 veranschaulicht die Erfindung in allgemeiner Form, wodurch die folgende Gleichung erfüllt wird: tan 0" + tan A. = tan <xp. tan f für

alle Elemente des Hinterrandes und alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung genügen dieser Gleichung.

Die Figuren 7-10 einschließlich zeigen im einzelnen spezielle Beispiele von Schaufeln gemäß der Erfindung. Insbesondere Figuren 10, 11 und 12 zeigen drei unterschiedliche Verfahren der Staffelung der SchaufelStromlinienkörperelemente.

Figuren 7, 8 und 9 zeigen drei Ansichten der am weitesten stromauf angeordneten Statorschaufel 36 gemäß Fig. 3.

Fig. 7 zeigt, daß die Vorder- und Hinterränder beide im axialen Sinne gekrümmt sind, während Fig. 8 zeigt, daß der Hinterrand über einen beträchtlichen Teil seiner Länge gerade verläuft. Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schaufel, die die komplexe Gestalt veranschaulicht und eine Anzahl von elementaren Stromlinienkörperschnitten 36 a erkennen läßt, die so gestaffelt sind, daß sie die Umhüllung der Schaufel definieren. Das Verfahren der Staffelung ist im einzelnen in den Figuren 1OA bis 1OE dargestellt.

In Fig. 1OA sind drei Schnitte der Schaufel 36 dargestellt, wobei ihre Hinterränder in einer Ebene gestaffelt sind, die durch die Drehachse des Triebwerks hindurchgeht, so daß, wie aus Fig. 10 B ersichtlich, der Hinterrand eine gerade radial verlaufende Linie darstellt, wenn man in Richtung längs der Triebwerksachse blickt. Die dargestellten Schau-

feischnitte sind jene am Schaufelfuß, in der Mittelhöhe der Schaufel und an der Schaufelspitze. Diese Schnitte und die dazwischenliegenden Schnitte sind so gestaffelt, daß der Hinterrand eine Kurve bildet, wie dies aus Fig. IOC ersichtlich ist (dies ist eine Ansicht parallel zu der Einschnürung zwischen benachbarten Schaufeln). Die Linien S, bis Sg stellen örtliche Stromlinien der Gasströmung dar und es ergibt sich, daß diese Stromlinien sämtlich normal zu dem Hinterrand am Schnittpunkt verlaufen.

Die örtlichen Stromlinien schneiden auch den Hinterrand in Normalrichtung, wenn die Schaufel in Seitenansicht gemäß Fig. IOD betrachtet wird.

Fig. 1OE ist eine Ansicht des Einschnürungsfensters zwischen benachbarten Schaufeln, bei welchen der Hinterrand eine Seite der Einschnürung begrenzt und die Linien SpI bis Sp9 die Stromebenen darstellen. Bei dieser Anordnung verlaufen die Stromebenen ebenfalls normal zum Hinterrand, so daß beide Bedingungen für eine vollständige Hinterrandorthogonalität erfüllt sind (Gleichung (1) und (2)).

Bei dieser Ausbildung ist für jedes Element der Hinterkante die tangentiale Neigung φ gleich Null. Auch die axiale Neigung B- hat einen von Null abweichenden Wert, da beide Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind.

Im Gegensatz dazu ist die Staffelanordnung gemäß Fig. HA bis HD derart, daß ein Wert einer tangentialen Neigung £ vorhanden ist, obgleich keine axiale Neigung besteht ($- - 0).

Die Hinterränder der Schaufelschnitte sind längs einer Linie gestaffelt, die normal zur Triebwerks längsachse verläuft. Wenn die Schaufel parallel zu der Einschnürung zwischen den Schaufeln gemäß Pig. HC betrachtet wird, dann verlaufen die örtlichen Stromlinien normal an ihren Schnittpunkten mit dem Hinterrand, weil έ so gewählt ist, daß die Gleichung (1) erfüllt ist:

wobei &= O
Da jedoch

stehen die Stromlinien nicht normal zum Hinterrand an ihren Schnittpunkten, wie in Fig. HD dargestellt, und die Stromebenen sind nicht normal zum Hinterrand in der Ebene der Einschnürung (Fig. HE) Demgemäß wird eine Strömungsebene-Nachlaufrandortho— gonalität nicht erreicht, wenn diese Art der Staffelung Anwendung findet.

Die elementaren Stromlinienkörperschnitte können außerdem so gestaffelt sein, daß die sich ergebende Schaufel eine axiale Neigung und eine radiale Neigung besitzt, so daß sowohl 3* als auch k definierte, von Null abweichende Werte besitzen und eine derartige Anordnung ist in den Figuren 12A bis 12E dargestellt. Die Hinterränder der Stromlinienkörperschnitte sind in einer Ebene gestaffelt, die zwischen jener Ebene, die die Triebwerksachse enthält und einer Ebene senkrecht zur Triebwerksachse liegt.

Die Winkel 3~und φ sind für jeden Elementarabschnitt so gewählt, daß die Gleichung (1) erfüllt wird, so daß die Stromlinien S, bis S_g auch normal zum Hinterrand an ihren Schnittpunkten (Fig. 12C) verlaufen.

Da Φ ψ O, schneiden die Stromlinien den Hinterrand nicht mehr unter 90 , wenn die Schaufel in Seitenansicht (Fig. 12D) betrachtet wird und die Stromebenen sind nicht normal zum Hinterrand in der Ebene der Einschnürung (Fig. 12E) .

Demgemäß ist wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel die Stromebenen-Hinterrandorthogonalität nicht mehr erfüllt. Weil jedoch die Stromlinien weiterhin den Hinterrand unter einem Winkel von 90 schneiden, wird angenommen, daß eine gewisse Verminderung der Sekundärströmungen erzielt wird und eine gewisse Verbesserung in der Strömungsverteilung und eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Komponente relativ zu einer Schaufelreihe.

Die Vorderränder der Stromlinienkörper gemäß Fig. 10, 11 und 12, die nicht Gegenstand der Erfindung sind, können gekrümmt (Fig. 10) oder gerade oder im wesentlichen gerade sein (Fig. 11, 12), um eine gewisse Orthogonalität am Vorderrand zu erreichen und/oder an dazwischenliegenden Stellen zwischen Vorder- und Hinterrand.

Das Prinzip der Orthogonalität kann über einen Teil der Spannrichtung des Stromlinienkörpers am Hinter-

rand oder am Vorderrand angewandt werden, um eine gewisse örtliche Verbesserung zu erzielen. So kann ein Teil des Hinterrandes des Strömungskörpers gekrümmt sein, um entweder beide oder eine der Orthogonalitätsgleichungen zu erfüllen, während der übrige Teil oder die übrigen Teile in einer geraden Linie oder in irgendeiner anderen Gestalt verlaufen können. Bei einem derartigen Stromlinienkörper ist die Orthogonalität etwas verletzt. Beispielsweise hat der Strömungskörper in Fig. 2 einen geraden Hinterrand, zu dem nur die mittlere Stromlinie normal zum Hinterrand am Schnittpunkt verläuft. Diese Anordnung hat sich jedoch als eine Verbesserung erwiesen.

Die Erfindung kann sowohl für Düsenleitschaufeln des Stators als auch für Rotorschaufeln Anwendung finden.

Claims

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. GüntherKoch European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Rolls-Royce Limited D*um: 28· A"9ust 1985 Buckingham Gate Unser Zeichen: 18 172 - K/st London SW1E 6AT England 3530769 Stromlinienkörper für Turbinentriebwerke P atentansprüche:

1. Stromlinienkörper für ein Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet , daß er ein aerodynamisches Profil besitzt, welches von einer Anzahl elementarer Strömungskörperschnitte definiert ist, die relativ zueinander gestaffelt sind, wobei die Elemente des Stromlinienkörpers so angeordnet sind, daß sie wenigstens teilweise den Hinterrand des Stromlinienkörpers definieren und daß der Hinterrand des Stromlinienkörpers eine Begrenzung des geometrischen Einschnürungsfensters zwischen benachbarten Stromlinienkörpern einer Anordnung von Stromlinienkörpern bildet, wobei die lokalen Stromlinien der Gasströmung durch die Einschnürung senkrecht zum Hinterrand des Stromlinienkörpers am Schnittpunkt verlaufen.

2. Stromlinienkörper nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den

elementaren Strömungskörperschnitten in einer Radialebene gestaffelt sind, die die Längsachse des Gasturbinentriebwerks umfaßt und daß der Schaufelhinterrand geradlinig in einer Ebene* normal zu jener Ebene verläuft, die die Triebwerkslängsachse enthält.

3. Stromlinienkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Hinterrand der Schaufel in Spannrichtung in einer Ebene gekrümmt ist, die die Längsachse des Triebwerks enthält.

4. Stromlinienkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß in der das geometrische Einschnürungsfenster enthaltenden Ebene die konkave Druckseite des Stromlinienkörpers in Spannrichtung gekrümmt ist und die konvexe Saugseite in Spannrichtung gekrümmt ist.

5. Stromlinienkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromebenen in der Ebene des geometrischen Einschnürungsfensters betrachtet normal zu jedem Element des Hinterrandes des Stromlinienkörpers an ihren Schnittpunkten mit dem Hinterrand verlaufen.

6. Stromlinienkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den

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Elementarschnitten des Stromlinienkörpers in einer Ebene normal zur Triebwerkslängsachse gestaffelt sind und daß der Hinterrand des Stromlinienkörpers im wesentlichen in einer geraden Linie verläuft, betrachtet in einer Ebene normal zur Triebwerkslängsachse.

7. Stromlinienkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den Elementarschnitten des Stromlinienkörpers in jeder Ebene gestaffelt sind, die zwischen einer Ebene, die die Triebwerkslängsachse enthält und einer Ebene liegt, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft.

8. Schaufel nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Hinterrand des Stromlinienkörpers sowohl in einer Ebene, die die Triebwerkslängsachse enthält als auch in einer Ebene, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft, gekrümmt ist.

9. Stromlinienkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in der das geometrische Einschnürungsfenster zwischen benachbarten Stromlinienkörpern enthaltenden Ebene die konkave Druckoberfläche des Stromlinienkörpers in Spannrichtung gekrümmt ist und die konvexe Saugseite ebenfalls in Spannrichtung gekrümmt ist.

10. Stromlinienkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Vorderrand des Stromlinienkörpers eine im wesentlichen gerade radial verlaufende Linie bildet.

11. Stromlinienkörper nach einem der Ansprüche 1-9,

dadurch gekennzeichnet , daß der Vorderrand des Stromlinienkörpers relativ zu zwei Ebenen gekrümmt ist, die senkrecht aufeinander stehen, wobei eine dieser Ebenen die Längsachse des Triebwerkes enthält und daß der Vorderrand normal zur einfließenden Strömung steht.

12. Gasturbinentriebwerk mit einem oder mehreren Stromlinienkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß die Stromlinienkörper über einen Umfang herum angeordnet sind, um die axialen Wände einer Mehrzahl von Gasströmungskanälen zu schaffen, wobei die übrigen inneren und äusseren Wände entweder durch drehsymmetrische Oberflächen oder durch asymmetrische Oberflächen definiert sind, die einen nicht-zylindrischen Ring ergeben.

13. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Stromlinienkörper eine Turbinenrotorschaufel bildet.

14. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Stromlinienkörper eine Turbinenstatorschaufel oder eine Düsenleitschaufel bildet.

15. Stromlinienkörper für ein Gasturbinentriebwerk ,

dadurch gekennzeichnet , daß der Stromlinienkörper ein aerodynamisches Profil besitzt, das von einer Anzahl von Elementarkörperschnitten gebildet wird, die relativ zueinander gestaffelt sind, wobei die Elemente des Hinterrandes des Stromlinienkörpers zwischen den Stromlinienkörperelementen zusammen eine Grenze eines geometrischen Einschnürungsfensters zwischen benachbarten Stromlinienkörpern bilden und im wesentlichen die gesamte Spannweite des Hinterrandes normal zu den jeweiligen örtlichen Stromlinien an ihrem Schnittpunkt verläuft und daß die Hinterrandelemente im Raum gemäß der folgenden Beziehung angeordnet sind: Tan θ + tan ^. = <K ρ . tan 0, wobei 9 aer lokale axiale Neigungswinkel des Hinterrandes,

wobei 0 der lokale tangentiale Neigungswinkel des Hinterrandes

/^. der lokale radiale Winkel der Gasströmung und

oCP der örtliche Wirbelwinkel in der Ebene der Gasströmung ist.

16. Stromlinienkörper nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß i? = - Λ. ist.

17. Stromlinienkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß das geometrische Einschnürungsfenster zwischen benachbarten Stromlinienkorpern etwa rechteckig ist, wenn fr= - X,, und f = O,

18. Gasturbinentriebwerk,

dadurch gekennzeichnet , daß es einen Strömungskörper gemäß einem der Ansprüche 1-17 aufweist.