DE3614467A1 - Stromlinienfoermig gestalteter bauteil fuer gastrubinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf stromlinienförmig gestaltete Bauteile für Gasturbinentriebwerke. Beispielsweise bezieht sich die Erfindung auf Düsen­ leitschaufeln, die unmittelbar stromab der Verbrennungs­ einrichtung eines Gasturbinentriebwerks angeordnet sind.

Die Funktion dieser Schaufeln besteht darin, die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungseinrichtung aufzunehmen und diese Produkte in die stromabwärtige Hochdruckturbine unter dem richtigen Winkel einzuleiten. Beim Durchströmen der Kanäle, die zwischen benachbarten Düsenleitschaufeln und den inneren und äußeren Kanal­ wänden gebildet sind, wird die Strömung aerodynamischen Verlusten unterworfen, einschließlich Verlusten infolge der Sekundärströmungen. Für Zwecke dieser Erfindung können die Sekundärströmungen als Strömungen betrachtet werden, deren Geschwindigkeitsvektoren beträchtlich von den beabsichtigten Hauptströmungsvektoren des sich be­ wegenden Gases abweichen.

Die Existenz dieser Strömungen ist bekannt, aber es besteht eine Ungewißheit im Hinblick auf die Größe der Verluste, die dadurch erzeugt werden, oder hinsichtlich des Mechanismus, der die Verluste zur Folge hat. Es wird angenommen, daß eine Ursache der Sekundärströ­ mungen die Bewegung der Grenzschichten der Stirnwände am Übergang zwischen der Druckoberfläche nach der Saug­ oberfläche der Schaufel unter dem Einfluß statischer Druckgradienten in Umfangsrichtung ist. In vielen Fällen wird die Strömung in Umfangsrichtung durch die Grenzschichtströmung der Druckoberfläche nach den Endwänden durch radiale statische Druckgradienten auf die Druckoberfläche zugeführt. Das Strömungs­ mittel mit geringer Energie bewegt sich nach den Saugoberflächenecken, wo sich ein Verlust erzeugender Kern bildet.

Diese Sekundärströmungen können auf eine von zwei möglichen Arten gesteuert werden. Das Auftreten der Saugoberflächen-Eckverlustkerne kann dadurch verzö­ gert werden, daß die radialen Druckgradienten auf der Druckoberfläche vermindert oder entfernt werden, und die Entwicklung eines Verlustkerns kann, nachdem dieser eingeleitet wurde, vermindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Be­ wegungsumkehr der radialen Druckgradienten an der Druckoberfläche zu bewirken und das Wachstum der Saug­ seiten-Eckverlustkerne zu begrenzen, indem die Grenz­ schicht auf der Saugseite nach den Stirnwänden gerichtet wird. Die Schaufelausbildung, die diese Ziele verwirk­ licht, umfaßt eine Veränderung in der Dicke der Schaufel an in Spannrichtung gesehen unterschiedlichen Stellen, so daß die Schaufel im Mittelbereich dicker ist und dünner an den Enden. Dies hat zur Folge, daß eine faß­ artig gestaltete Schaufel und ein stundenglasförmig ge­ stalteter DurchtrittskanaI zwischen benachbarten Schau­ feln entstehen.

Demgemäß schafft die Erfindung im breitesten Sinne einen stromlinienförmig gestalteten Bauteil für ein Gasturbinentriebwerk, der eine Druckoberfläche mit einer konkaven Flanke und eine Saugoberfläche mit einer konvexen Flanke aufweist. Beide Flanken er­ strecken sich radial zwischen den Enden der SchaufeI und der Bauteil wird durch einen Stapel von elementaren stromlinienförmig gestalteten Abschnitten gebildet. Die Dicke eines jeden elementaren stromlinienförmig ge­ stalteten Abschnitts an Stellen zwischen den Enden des Bauteils ändert sich derart, daß sowohl die konvexe als auch die konkave Flanke in Spannrichtung längs des Bauteiles gesehen, konvex verlaufen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine der Flanken, oder es können beide Flanken des Bauteils in Spannrichtung gesehen, parabolförmig sein.

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

Fig. 1 eine schematische Halbschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks, bei dem die Erfindung Anwendung finden kann;

Fig. 2 einen typischen Querschnitt durch einen Strömungskanal, der durch zwei benach­ barte, herkömmliche Düsenleitschaufeln gebildet ist;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Düsen­ leitschaufel gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Strömungs­ kanal, der durch zwei benachbarte Düsen­ leitschaufeln definiert ist, die beide gemäß der Erfindung ausgebildet sind.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit hohem Nebenstromverhältnis mit einem Frontfan und einem Hoch­ drucksystem, bestehend aus einem Hochdruckkompressor 12, einem Verbrennungssystem 14 und einer Hochdruckturbine 16, welche den Hochdruckkompressor 12 antreibt. Das Verbrennungssystem empfängt Brennstoff und vom Kom­ pressor 12 Luft, und die Verbrennungsprodukte werden der Hochdruckturbine über ringsum laufend, im Abstand zueinander angeordnete Düsenleitschaufeln 18 zugeführt. Benachbarte Düsenleitschaufeln definieren Kanäle 20 (Fig. 2), über die die auf hoher Temperatur stehenden, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gase abfließen.

ln Fig. 2 ist der Kanal 20 durch die Saugoberfläche SS der Schaufel, die Druckoberfläche PS der benach­ barten Schaufel und innere und äußere Umfangsendwände 22 bzw. 24 definiert. Die Saugoberfläche und die Druck­ oberfläche verlaufen beide im wesentlichen radial. Es werden Wirbel, die als Kanalwirbel bekannt sind, im Mittelteil des Kanals erzeugt, während Wirbel, die als Hufeisenwirbel bekannt sind, in den Ecken des Kanals erzeugt werden. Die voll ausgezogenen Pfeile zeigen die Richtung der Kanalwirbel und der Hufeisenwirbel, während die strichlierten Pfeile die Richtung der Druck­ gradienten in einem abnehmenden Sinn zeigen.

Die Grenzschichten auf den Endwänden tendieren dazu, sich von der Druckoberfläche nach der Saugoberfläche unter dem Einfluß von Kreuzkanal-Druckgradienten zu bewegen. In vielen Fällen wird die Kreuzkanalströmung durch Druckoberflächen-Grenzschichtströmungen nach den Stirnwänden über radiale Druckkomponenten an den Druck­ oberflächen zugeführt. Das eine geringe Energie auf­ weisende Strömungsmittel bewegt sich nach den Ecken der Saugseite, wo Verlust erzeugende Kerne gebildet werden.

Die Ausbildung der Schaufeln gemäß der Erfindung zielt darauf ab, die Radialdruckkomponenten auf der Druck­ oberfläche umzukehren und das Wachstum der Druck­ verluste auf der Saugseite zu begrenzen, indem die Grenzschicht der Saugseite nach den Endwänden gerichtet wird. Es wird angenommen, daß diese letztgenannte Strö­ mung eine Wirbelbildung in den Ecken der Saugseite er­ zeugt, die in Opposition zu den herrschenden Kanal­ wirbeln stehen.

Eine Schaufel, die in der Weise ausgebildet ist, daß sie diese Bedingungen erfüllt, ist in Fig. 3 darge­ stellt, und die Kanalform 20, die durch ein benachbartes Paar solcher Schaufeln gebildet wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß der Radialdruck­ gradient auf der Druckfläche umgekehrt wird im Ver­ gleich mit dem der in Fig. 2 dargestellt ist, und daß auf der Saugseite die Grenzschicht veranlaßt wird, nach den Endwänden 22, 24 durch die Radialdruckgradienten auf jener Oberfläche zu strömen.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß diese Ausbildung zu einer Schaufel führt, die "faßartig" gestaltet ist und infolgedessen hat ein dazwischenliegender Kanal eine "Stundenglas"-Gestalt. Um die erforder­ liche Druckoberflächengestalt zu erhalten, kann es notwendig sein, ein geringes Ausmaß von einer Neigungs­ versetzung vorzusehen. Diese kann sich zwischen der lnnenwand und der Außenwand ändern, und die Bedingungen hinsichtlich der Einschnürungsorthogonalität sollten nicht allzusehr einem Kompromiß unterworfen werden.

Die dreidimensionale Gestalt der Schaufel und dem­ gemäß die Gestalt des Kanals zwischen benachbarten Schaufeln ändert sich gemäß der Anwendung. In allen Fällen ist die Schaufel in der Mitte dicker, um eine faßförmige Schaufelgestalt zu erhalten und die Flanken der Druck- und Saugseite können verschiedenen Gestalten oder Kurven im Radialsinn folgen, und sie können bei­ spielsweise parabolisch sein.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit einer Düsenleitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk beschrie­ ben. Sie kann jedoch auch für andere Schaufelanordnungen Anwendung finden.

Claims (4)

1. Stromlinienförmig gestalteter Bauteil für Gasturbinentriebwerke mit einer Druckober­ fläche, welche eine konkave Flanke aufweist und mit einer Saugoberfläche, die eine konvexe Flanke aufweist, wobei die beiden Flanken radial zwischen den Enden des Bauteils verlaufen, wobei der Bauteil durch einen Stapel von elementaren stromlinienförmig gestalteten Abschnitten zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke eines jeden elementaren, stromlinienförmig ge­ stalteten Abschnitts an Stellen zwischen den Enden des Körpers (18) derart variiert, daß sowohl die konvexe als auch die konkave Flanke in Spannrichtung längs des Bauteils (18) konvex verlaufen.

2. Stromlinienförmiger Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Flanken parabolförmig gestaltet ist.

3. Stromlinienförmiger Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form einer Düsenleitschaufel für ein Gasturbinentriebwerk ausgebildet ist.

4. Gasturbinentriebwerk, dadurch gekennzeichnet, daß es einen stromlinien­ förmigen Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.