DE3743738A1 - Gekruemmte turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Flugzeugantriebssystem und insbesondere auf eine neue und verbesserte gekrümmte Schaufel, die sowohl radiale als auch in Umfangsrichtung verlaufende Grenzschicht-Druckgradienten und somit die Größe von sekundä­ ren aerodynamischen Verlusten verkleinert.

Gasturbinentriebwerke enthalten im allgemeinen einen Verdich­ ter mit Rotor- und Statorstufen zum Komprimieren von durch das Triebwerk strömender Luft, eine Brennkammer, in der Brennstoff mit der verdichteten Luft gemischt und gezündet wird, um eine hochenergetische Gasströmung zu bilden, und eine Turbine, die wenigstens eine Rotor- und Statorstufe aufweist zum Antreiben des Verdichters. Der Verdichter enthält im allgemeinen ab­ wechselnde Reihen von Rotorschaufeln, die an dem Rotor befe­ stigt sind, und Statorschaufeln, die in bezug auf das Gehäuse feststehend sind. Der Verdichter verdichtet die Luft, die in die Brennkammer strömt, wo ein Teil verwendet wird, um den Brennstoff zu verbrennen, wodurch die übrige Luft und Ver­ brennungsprodukte erhitzt werden und zur Turbine strömen. Die Turbine entzieht dann dem Arbeitsmedium nutzbare Energie, um den Verdichter, Zubehöreinrichtungen und gegebenenfalls einen Bläser (Fan) anzutreiben. Die Turbine enthält im allgemeinen wenigstens eine abwechselnde Reihe von Rotorschaufeln, die an dem Rotor befestigt sind, und Statorschaufeln, die in bezug auf das Gehäuse feststehend sind. Die Turbinenrotor­ schaufeln sind mit dem Rotor verbunden und hinter der Brenn­ kammer innerhalb der Gasströmungsbahn angeordnet, um so der Gasströmung nutzbare Energie zu entziehen. Um die Größe der entzogenen Energie zu optimieren, sind zwischen den Rotor­ bzw. Laufschaufeln Gruppen oder Felder von Statorschaufeln zwischen den inneren und äußeren Mänteln in Umfangsrichtung angeordnet und radial angebracht. Jedoch bestehen aufgrund der geometrischen Charakteristiken der Statorschaufeln große Druckgradienten in den Kanälen zwischen den einzelnen Schau­ feln. Diese Gradienten bestehen in der Umfangsrichtung auf­ grund der Schaufelflächengeschwindigkeitsdifferenz und in der radialen Richtung in bezug auf die Triebwerksmittellinie aufgrund von Strömungsverwirbelung. Aufgrund dieser großen Druckgradienten tritt die einen höheren Druck aufweisende Grenzschichtluft, die entlang den inneren Oberflächen der Schaufelendwände angeordnet ist, in die gleichmäßige aerody­ namische Hauptluftströmung, die durch das Triebwerk hindurch­ tritt, ein und unterbricht diese. Diese Störungen können groß sein und rufen Verluste im Verhältnis zur Größe der Druckgra­ dienten, die sie erzeugen, hervor. Die Erfindung ist auch auf gegenläufig rotierende Gasturbinentriebwerke anwendbar, die einen Teil oder alle stationären Schaufeln eliminiert haben und gegenläufig rotierende Stufen aufweisen, wobei abwechseln­ de Stufen von Rotorschaufeln im Verdichter das Arbeitsmedium verdichten und in der Turbine dem Arbeitsmedium Arbeit entzie­ hen.

In der Vergangenheit sind verschiedene Techniken vorgeschla­ gen worden, um dieses Problem zu überwinden. Ein derartiger Vorschlag besteht darin, die Schaufeln in der Umfangsrichtung zu neigen. Ein anderer Vorschlag war, die Schaufeln zu erwei­ tern in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung, in der die konkave oder Druckseite der Schaufel gerichtet ist. Noch ein anderer Vorschlag bestand darin, die Schaufeln so zu krümmen, daß die konkave oder Druckseite jeder Schaufel in Richtung auf die Endwandgehäuse gedreht sein würde, wodurch eine S-förmige Kurve gebildet wird. Diese S-förmige Kurve hat eine Verkleinerung der Umfangsdruckgradienten zur Folge, wo­ durch die Möglichkeit eingeschränkt wird, daß ein kleines Moment aufweisende Hochdruckluft von der Hochdruckseite des Kanals in Richtung auf die Niederdruckseite und in die Haupt­ luftströmung strömt. Diese gekrümmte Schaufel verkleinert zwar den Umfangsdruckgradienten, aber sie vergrößert in sig­ nifikanter Weise den Druckgradienten in radialer Richtung.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Schaufel für eine Turbomaschine zu schaffen. Weiterhin soll eine neue und verbesserte Schaufelanordnung für ein Gastur­ binentriebwerk geschaffen werden. Die Schaufel soll für eine verbesserte Luftströmung sorgen. Weiterhin soll die Schaufel kleinere Druckgradienten in den radialen und Umfangsrichtungen aufweisen. Ferner soll die Schaufel kleinere Leistungsverluste besitzen, die der Grenzschicht-Luftleckage zuzurechnen sind.

Erfindungsgemäß wird eine Schaufel zur Verwendung in einer Turbomaschine geschaffen. Die Schaufel enthält eine Druck­ seite und eine Saugseite und ist in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt, die zur Saugseite gerichtet ist.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Gasturbinentriebwerk-Schaufelanordnung geschaffen, die innere und äußere Mäntel und einen dazwischen angebrachten stromlinienförmigen Abschnitt aufweist. Der stromlinienförmi­ ge Abschnitt ist in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt, die zur Saugseite gerichtet ist.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ent­ hält eine Turbinenschaufelanordnung innere und äußere Mäntel und einen stromlinienförmigen Abschnitt, der dazwischen an­ gebracht ist. Der stromlinienförmige Abschnitt ist in Um­ fangsrichtung außen gekrümmt und in der Richtung geneigt, die auf die Saugseite gerichtet ist.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt von einem Gastur­ binentriebwerk mit Hochdruck- und Niederdruckturbi­ nen.

Fig. 2 ist eine Teilansicht und zeigt die Turbinenschaufel­ anordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 3a, 3b bzw. 3c sind graphische Darstellungen und zei­ gen die Saugseiten-Strömungslinien für eine bekannte Schaufel, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gerichtet ist, die auf die Druckseite ge­ richtet ist; eine bekannte Schaufel, die überhaupt nicht in Umfangsrichtung gekrümmt ist und eine Schau­ fel gemäß der Erfindung, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt ist, die auf die Saug­ seite gerichtet ist.

Fig. 4a, 4b bzw. 4c sind schematische radiale Darstellun­ gen und zeigen die Außenwandgehäuse-Strömungslinien für eine bekannte Schaufel, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt ist, die auf die Druckseite gerichtet ist; für eine bekannte Schaufel, die überhaupt nicht in Umfangsrichtung gekrümmt ist; und eine Schaufel gemäß der Erfindung, die in Um­ fangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt ist, die auf die Saugseite gerichtet ist.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht und zeigt die Turbinen­ schaufelanordnung von hinten und insbesondere die Turbinenschaufel mit einer gekrümmten Stapellinie.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung und zeigt ein an­ deres Ausführungsbeispiel der Turbinenschaufelanord­ nung von hinten und insbesondere die Turbinenschaufel mit einer gekrümmten Stapellinie, die auch geneigt ist.

Fig. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 8 um eine Triebwerks­ mittellinie 10 mit einem Bläser (Fan) 12, einem Verdichter 14, einer Brennkammer 16, einer Hochdruckturbine 18 und einer Nie­ derdruckturbine 20. Zwischen den Turbinenlaufschaufelreihen 22 sind Turbinenstatorschaufelanordnungen 23 angeordnet, die stromlinienförmige Abschnitte aufweisen, die als Turbinen­ schaufeln 24 bezeichnet werden.

Fig. 2 zeigt genauer die Turbinenschaufelanordnung 23 mit Turbinenschaufeln 24, die durch einen Kanal 25 getrennt sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält jede Schaufel 24 eine Druckseite 30 und eine Saugseite 32. Zusätz­ lich hat jede Schaufel 24 ein radial äußeres Ende 34, ein radial inneres Ende 36 und ein Mittelteil 42. Jede Schaufel­ anordnung 23 enthält ferner einen äußeren Mantel 38 und einen inneren Mantel 40, deren Innenflächen die äußeren und inneren Grenzflächen der Strömungsbahn durch die Turbine 20 bilden.

Erfindungsgemäß können die Druckgradienten, die in dem Kanal 28 angeordnet sind, in vorteilhafter Weise abgeändert werden, praktisch ohne daß ein Kompromiß in der Gestaltung der Schau­ feln 24 geschlossen werden muß, indem die Schaufeln in Um­ fangsrichtung außen in der gleichen Richtung gekrümmt werden, in die die Saugseite 32 gerichtet ist. Die Form der gekrümmten Schaufel 24 ist im allgemeinen ein kontinuierli­ cher Bogen, der spitze Winkel 44 und 45 mit Plattformen 38 bzw. 40 bildet. Die Wirkung der Krümmung der Schaufel 24 be­ steht darin, einen Teil 26 a der Hauptluftströmung 26 in den Richtungen radial nach innen und nach außen auf der Druck­ seite 30 der Schaufel zu richten. Die Schaufel 24 hat eine Vorderkante 46 und eine Hinterkante 47, die für den Schaufel­ betrieb wichtig und auch nützlich sind bei der Definition der aerodynamischen Form der Schaufel.

Die Fig. 3a, 3b und 3c stellen graphisch die Druckgradien­ ten dar, die in der radialen Richtung durch Strömungsverwir­ belung hervorgerufen werden und ein Prozent von der Schaufel­ vorderkante 46 (Fig. 2) angeordnet sind, für zwei bekannte Schaufelkonfigurationen und diejenige gemäß der Erfindung. Weiterhin sind Skizzen der relativen Krümmungen der entspre­ chenden Schaufeln gezeigt, wenn man von hinten nach vorne auf die Schaufelanordnung blickt. Fig. 3a, 3b bzw. 3c stellen eine bekannte Schaufel, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekürmmt ist, die auf die Druckseite gerichtet ist, eine bekannte Schaufel, die überhaupt nicht in Umfangs­ richtung gekrümmt ist und eine Schaufel gemäß der Erfindung dar, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung ge­ krümmt ist, die auf die Saugseite gerichtet ist und nachfol­ gend als eine erste Richtung bezeichnet wird. Strömungslinien 48 a, 48 b und 48 c reflektieren die relative radiale Bewegung der ein kleines Moment aufweisenden Grenzschicht-Luftströmung. Wie durch die Strömungslinien 48 c in Fig. 3c gezeigt ist, wird die Wirbelluftströmung, die durch die bei der Erfindung entstehenden Druckgradienten von Schaufel zu Schaufel erzeugt wird, in einem wesentlich kleineren Umfang als bei den be­ kannten Bauformen in die Hauptluftströmung gezogen.

Fig. 4a, 4b und 4c stellen die bekannte Schaufel, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt ist, die auf die Druckseite gerichtet ist, die bekannte Schaufel, die überhaupt nicht in Umfangsrichtung gekrümmt ist, und eine Schaufel gemäß der Erfindung dar, die in Umfangsrichtung nach außen in der Richtung gekrümmt ist, die auf die Saug­ seite gerichtet ist. Die Strömungslinien 50 a, 50 b und 50 c reflektieren die relative Umfangsbewegung der ein kleines Mo­ ment aufweisenden Grenzschicht-Luftströmung. Wie durch die Strömungslinien 50 c in Fig. 4c gezeigt ist, tritt die Be­ wegung dieser ein kleines Moment aufweisenden Grenzschicht- Luftströmung, die gemäß der Erfindung entsteht, in einem viel kleineren Ausmaß als bei den bekannten Bauformen in die Hauptluftströmung ein und unterbricht weniger die gleichmäßige aero­ dynamische Hauptluftströmung.

Die Schaufel gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in Umfangsrichtung nach außen in der Rich­ tung gekrümmt ist, die auf die Druckseite gerichtet ist, ver­ kleinert den Druckgradienten sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung (wie es in den Fig. 3c und 4c ge­ zeigt ist) gegenüber bekannten Bauformen . Auf diese Weise wird die Gefahr, daß eine ein kleines Moment aufweisende Luftströmung in die Hauptluftströmung eintritt, verkleinert, wodurch die Größe von sekundären Verlusten gesenkt wird.

Die Umfangskrümmung einer Schaufel, wie beispielsweise der Turbinenschaufel 24, wird definiert durch die Form der Stapel­ linie 50 in Fig. 5. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel fällt die Stapellinie 50 mit der Hinterkante 47 in Fig. 2 zusammen. Die Stapellinie ist ein Design- bzw. Auslegungs­ parameter, zu dem die Schaufelquerschnitte 49 gezogen oder orientiert sind. In Fig. 2 ist die Schaufel 24 mit einem konstanten Querschnitt durch die Länge der Schaufel gezeigt. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 5 ge­ zeigt ist, hat eine bogenförmige Stapellinie 50, die durch einen Bogenradius 56 und einen Ursprung 54 definiert ist, so daß ein Radius 56 zum Mittelabschnitt 42 die Sehne 52 der bo­ genförmigen Stapellinie 50 halbiert. In diesem Ausführungs­ beispiel ist die Schaufel 24 gekrümmt, aber nicht geneigt, so daß die Sehne 52 kolinear mit einem ersten Triebwerksradius 50 ist, der von der Triebwerksmittellinie 10 durch den Schnitt­ punkt 62 zwischen der Stapellinie 50 und dem inneren Mantel 40 gezogen ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Er­ findung, das in Fig. 6 gezeigt ist, ist die Schaufel 24′ in der Richtung geneigt, die zur Saugseite 32′ gerichtet ist. Die Sehne 52′ der bogenförmigen Stapellinie 50′ ist nicht kolinear mit einem zweiten Triebwerksradius 70′. Der zweite Triebwerksradius 70′ ist von der Triebwerksmittellinie 10′ durch den Schnittpunkt 62′ zwischen der Stapellinie 50′ und dem inneren Mantel 40′ zum Außenmantel 38′ gezogen, wobei ein spitzer Winkel mit dem zweiten Triebwerksradius 70′ gebildet wird.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Darüber hinaus soll die Erfindung nicht nur für Turbinensta­ toren anwendbar sein. Vielmehr ist sie in gleicher Weise auf Rotoren und Statoren anwendbar, die in Turbomaschinen verwen­ det werden.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Abmessungen und die proportionalen und strukturellen Relationen in der Zeichnung nur als Beispiele zu verstehen sind und nicht als die tatsächli­ chen Abmessungen und Relationen zu verstehen sind.

Claims (10)

1. Turbomaschinenschaufel mit einer Druckseite und einer Saugseite, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in Umfangsrichtung nach außen in einer ersten Richtung gekrümmt ist, die die Richtung ist, in der die Saugseite gerichtet ist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in der ersten Richtung auch geneigt ist.

3. Turbomaschinenschaufel mit einer Druckseite, einer Saug­ seite und einer Stapellinie zum Definieren des Profils der Schaufel, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapellinie (50) in Umfangsrichtung nach außen in einer ersten Richtung gekrümmt ist, die die Richtung ist, in der die Saugseite gerichtet ist.

4. Schaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapellinie (50) zu einem Bogen geformt ist.

5. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel auch in die erste Richtung geneigt ist.

6. Schaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Mittelabschnitt (42) aufweist und die Stapellinie, die zu einem Bogen geformt ist, durch einen Radius (56) mit einem Ursprung (54) definiert ist, der auf einer Linie senk­ recht zu der Tangente des Bogens an dem Schaufelmittelab­ schnitt angeordnet ist.

7. Turbinenschaufelanordnung mit einem inneren Mantel, einem äußeren Mantel und einer Turbinenschaufel, die zwischen den Mänteln angeordnet ist und eine Druckseite und eine Saug­ seite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel in Umfangsrichtung nach außen in einer ersten Richtung gekrümmt ist, die die Richtung ist, in der die Saugseite gerichtet ist.

8. Turbinenschaufelanordnung mit einem inneren Mantel, einem äußeren Mantel und einer Turbinenschaufel, die zwischen den Mänteln angeordnet ist und eine Druckseite, eine Saugseite und eine Stapellinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapellinie in Umfangsrichtung nach außen in der ersten Richtung gekrümmt ist.

9. Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapellinie bogenförmig ist.

10. Turbinenschaufelanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel auch in die erste Richtung geneigt ist.