DE3614467C2 - Beschaufeltes Gitter für Gastrubinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein beschaufeltes Gitter für Gasturbinentriebwerke mit stromlinienförmigen Schaufeln, die in Umfangsrichtung auf der Saugseite eine konvexe Schaufeloberfläche und auf der Druckseite eine konkave Schaufeloberfläche aufweisen. Die zwischen benachbarten Schaufeln verlaufende Strömung ist aerodynamischen Verlusten einschließlich Verlusten infolge von Sekundärströmungen unterworfen. Die Sekundärströmungen können als Strömungen betrachtet werden, deren Geschwindigkeitsvektoren beträchtlich von den beabsichtigten Hauptströmungsvektoren des strömenden Mediums abweichen.

Die Existenz dieser Strömungen ist bekannt, aber es besteht eine Ungewißheit im Hinblick auf die dadurch erzeugten Verluste oder hinsichtlich des Mechanismus, der für diese Verluste verantwortlich ist. Es wird angenommen, daß eine Ursache der Sekundärströmungen die Bewegung der Grenzschichten am Übergang zwischen der Druckseite und der Saugseite 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 Strömungsmittel mit geringer Energie bewegt sich nach den Saugflächenecken, wo sich ein Verlust erzeugender Kern bildet.

Diese Sekundärströmungen können auf zweierlei Art gesteuert werden. Das Auftreten der Saugflächen-Eckverlustkerne kann dadurch verzögert werden, daß die radialen Druckgradienten auf der Druckoberfläche vermindert oder entfernt werden, und die Entwicklung eines Verlustkerns kann, nachdem dieser entstanden ist, vermindert werden.

Das DE-Buch: Untersuchung und Berechnung axialer Turbinenstufen, Kap. 7. 2, Seite 411-413 von Dejc, Trojanovskÿ zeigt eine stromlinienförmige Leitschaufelvariante, die eine konstante relative Teilung über die Kanalhöhe aufweist und mit einer gekrümmten Leitschaufel kombiniert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sekundärverluste in Form von wachsenden Saugseiten-Eckverlustkernen zu begrenzen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Radialdruckgradient auf der Druckseite gegenüber herkömmlichen Ausbildungen umgekehrt wird und daß auf der Saugseite die Grenzschicht veranlaßt wird, nach den Endwänden durch die Radialdruckgradienten auf jene Oberfläche zu strömen, was eine Verringerung der Sekundärverluste zur Folge hat.

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.

In 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 (3)

1. Beschaufeltes Gitter für Gasturbinentriebwerke mit stromlinienförmigen Schaufeln, die in Umfangsrichtung auf der Saugseite eine konvexe Schaufeloberfläche (SS) und auf der Druckseite eine konkave Schaufeloberfläche (PS) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schaufeloberflächen (SS) und (PS) ausgehend von einer mittleren Schaufelhöhe radial einwärts und radial auswärts derart konvex gekrümmt sind, daß in einem radialen Schaufelschnitt ein faßartiger Querschnitt vorliegt.

2. Beschaufeltes Gitter für Gasturbinentriebwerke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Schaufeloberflächen (SS) und (PS) parabolförmig gekrümmt sind.

3. Beschaufeltes Gitter für Gasturbinentriebwerke nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel als Düsenleitschaufel (18) ausgebildet ist.