DE3850681T2

DE3850681T2 - Rotor blade.

Info

Publication number: DE3850681T2
Application number: DE3850681T
Authority: DE
Inventors: Wolfgang P Weinhold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-02-06
Filing date: 1988-02-05
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2008-02-06
Also published as: EP0278434B1; EP0278434A2; DE3850681D1; EP0278434A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Blätter, wie sie in Turbomaschinen verwendet werden und insbesondere auf verbesserte Turbinenrotorblätter.The present invention relates generally to blades as used in turbomachinery and, more particularly, to improved turbine rotor blades.

In allen Turbomaschine wie zum Beispiel bei Gasturbinen, Kompressoren, Radialverdichtern oder Pumpen ist zwischen dem Rotor und dem Gehäuse immer ein Spalt vorhanden. Des weiteren ist der kleinste Betrag dieses Spaltes durch die unterschiedlichen Grade der Wärmeausdehnung und des radialen Wachstums der Blätter und des Gehäuses während verschiedener Einsatzbedingungen bestimmt. Es steht fest, daß ein höherer Arbeits-Wirkungsgrad und eine höhere Ausgangsleistung einer Turbomaschine durch jegliche Mittel, die den radialen Spaltstrom reduzieren, die Grenzschicht steuern und die Eingangsarbeitstemperaturen verringern, erreicht werden kann.In all turbomachines, such as gas turbines, compressors, centrifugal compressors or pumps, there is always a gap between the rotor and the casing. Furthermore, the minimum amount of this gap is determined by the different degrees of thermal expansion and radial growth of the blades and casing during different operating conditions. It is clear that higher working efficiency and higher output power of a turbomachine can be achieved by any means that reduce the radial gap flow, control the boundary layer and reduce the input working temperatures.

Der radiale Spaltstrom hat den größten Anteil am Gesamtenergieverlust-Einzelquelle in einer Turbomaschine. Die Wechselwirkung von Spaltstrom, eigentlichem Blatt, und Ringraum-Wand-Grenzschichten und radialer Massetransport, Momenten sowie Energie führt zu einem hochkomplexen Strömungsfeld nahe dem Blattspitzenbereich einer Turbomaschine.The radial gap flow has the largest share of the total energy loss single source in a turbomachine. The interaction of gap flow, actual blade, and annulus-wall boundary layers and radial mass transport, moments and energy leads to a highly complex flow field near the blade tip area of a turbomachine.

Um den radialen Spaltstrom zu verringern, wurden verschiedene Ideen angewendet wie das Einschneiden von Nuten, Stolperstufen oder die Verwendung von Abriebmaterialien, die entweder an der Blattspitze oder am Gehäuse vorgesehen wurden, um das kleinstmögliche Spaltmaß zu erzielen und um den Spaltstrom durch Vergrößerung des Strömungswiderstandes im Blattspitzenbereich von der Druck- zur Saugseite hin zu verringern. Solche Konstruktionen sind ausführlicher in den US-Patenten Nr. 4 589 823 und 4 571 937 beschrieben.To reduce the radial clearance flow, various ideas have been applied such as cutting grooves, tripping steps or using abrasive materials provided either at the blade tip or at the casing to achieve the smallest possible clearance and to reduce the clearance flow by increasing the flow resistance in the blade tip area from the pressure to the suction side. Such constructions are described in more detail in U.S. Patent Nos. 4,589,823 and 4,571,937.

Eine weitere Idee zur Reduzierung des radialen Spaltstromes zu ist die sogenannte aktive Spaltmaßsteuerung. Hierbei wird das Spaltmaß oder der Spalt zwischen der Spitze des Rotorblattes und dem Gehäuse einer Turbomaschine durch Kühlung oder Aufheizung des Gehäuses der Turbomaschine auf einem kleinstmöglichen Maß gehalten.Another idea for reducing the radial gap flow is the so-called active gap control. Here, the gap or the gap between the tip of the rotor blade and the housing of a turbomachine is kept to the smallest possible size by cooling or heating the housing of the turbomachine.

Darüber hinaus sind noch weitere Probleme vorhanden: Die extrem hohen Temperaturen stromabwärts der Verbrennungskammer in einer Gasturbine erfordern aufgrund der Materialeigenschaften gekühlte Rotorblätter. Die Konstruktionen, die eine Kühlung der Turbinenblätter vorsehen, haben im allgemeinen in der Blattwurzel eine Kühlungsmittelzuführung und es sind Ausblasausgänge vorhanden, die an der Hinterkante, der Vorderkante und der Spitzenfläche des Blattes angeordnet sind. Diese Ausblasausgänge werden verwendet, um das Kühlungsfluid auszublasen oder einen Kühlungsfilm zu bilden, wie in der US-PS 4 601 638 ausgeführt. Hill, Liang und Auxier lehren in der US-PS 4 601 638 die Verwendung von Luftkanälen zur Kühlung, wobei die Luftkanäle Achsen aufweisen, die parallel zur Ebene der Blattspitze verlaufen. Weitere Konstruktionen sind ausführlicher in den US-PS'en 4 424 001, 4 540 339 und 4 606 701 beschrieben.In addition, other problems exist: The extremely high temperatures downstream of the combustion chamber in a gas turbine require cooled rotor blades due to the material properties. The designs that provide cooling of the turbine blades generally have a coolant supply in the blade root and blow-out outlets located at the trailing edge, leading edge and tip surface of the blade. These blow-out outlets are used to blow out the cooling fluid or to form a cooling film, as set out in US Pat. No. 4,601,638. Hill, Liang and Auxier in US Pat. No. 4,601,638 teach the use of air ducts for cooling, the air ducts having axes that run parallel to the plane of the blade tip. Further designs are described in more detail in US Patent Nos. 4,424,001, 4,540,339 and 4,606,701.

Entsprechend der US-PS 4 540 339 strömt z. B. ein Kühlungsfluid durch Öffnungen, die in der Blattspitzenebene angeordnet sind und es ist gegen die Spitzenseitenwände in einer Ebene, die senkrecht zu den Gehäusewänden steht, gerichtet.According to US-PS 4 540 339, for example, a cooling fluid flows through openings arranged in the blade tip plane and is directed against the tip side walls in a plane that is perpendicular to the casing walls.

In der US-PS 4 040 ?67 ist eine kühlbare Statorschaufel in den Turbinenteil einer Gasturbomaschine offenbart. Kühlluft tritt durch Öffnungen in den Blattseitenwänden und der Blattwurzel aus und wird über die Wände der Bereiche verteilt, die in Kontakt stehen mit dem heißen Arbeitsgasen, die durch die Turbine während des Arbeitseinsatzes der Maschine strömen.In US-PS 4 040 ?67 a coolable stator blade is disclosed in the turbine part of a gas turbo machine. Cooling air exits through openings in the blade side walls and the blade root and is distributed over the walls of the areas which are in Contact with the hot working gases that flow through the turbine during operation of the machine.

Die GB-A-2 077 362, die die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruches 1 vorliegender Anmeldung darstellt, offenbart ein Rotorblatt, das eine Kappe besitzt, die über der Blattspitze angeordnet ist und durch eine Vielzahl sich längssehnig erstreckender Flach-Schichten, die in der Streckungsebene geschichtet sind, gebildet ist. Die äußerste Schicht ist aus einem abrasiven Material hergestellt. Zusätzlich haben zumindest zwei dieser Schichten eine Vielzahl seitlich sich erstreckender Kühlungsdurchtritte für den Fluß der Kühlluft von der Druck- zur Saugseite des Blattes. Zusätzliche Durchtritte erstrecken sich im wesentlichen in Streckungsrichtung durch die Kappe und können abgeschrägt sein, um die Größe der konvektiven Kühlkapazität zu steigern.GB-A-2 077 362, which forms the basis for the preamble of claim 1 of the present application, discloses a rotor blade having a cap disposed over the blade tip and formed by a plurality of longitudinally extending flat layers laminated in the plane of extension. The outermost layer is made of an abrasive material. In addition, at least two of these layers have a plurality of laterally extending cooling passages for the flow of cooling air from the pressure to the suction side of the blade. Additional passages extend substantially in the plane of extension through the cap and may be beveled to increase the amount of convective cooling capacity.

All diese Ausführungen bezwecken die Kühlung des Rotorblattes und anderer Bereiche. Jedoch beeinflussen oder reduzieren sie weder den radialen Spaltstrom noch die Eck-Ablösebereiche.All of these designs are intended to cool the rotor blade and other areas. However, they do not affect or reduce the radial gap flow or the corner separation areas.

Ein Ziel der Erfindung ist es, den Aufbau eines Blattes zu verbessern, insbesondere eines Rotorblattes in einer Turbomaschine, bei der der Energieverlust in der Turbomaschine bedeutend verringert wird.An aim of the invention is to improve the design of a blade, in particular a rotor blade in a turbomachine, in which the energy loss in the turbomachine is significantly reduced.

Eine weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den radialen Spaltstrom zu reduzieren und das komplexe Strömungsfeld zu beeinflussen, um dadurch zum einen die Eck-Ablösebereiche als auch die energetischen Verluste, die durch das komplexe Strömungsfeld entlang des Rotorblattes entstehen, zu verringern.A further aim of the invention is to reduce the radial gap flow and to influence the complex flow field in order to reduce the corner separation areas as well as the energy losses caused by the complex flow field along the rotor blade.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Oberfläche und die Wurzel des Rotorblattes zu kühlen.Yet another object of the present invention is to cool the surface and root of the rotor blade.

Erfindungsgemäß enthält das Blatt geneigte längliche Einblaskanäle (Langlöcher) an der Blattspitzenoberfläche, wobei die Winkel zwischen den Achsen dieser Kanäle und der radialen Achse des Blattes eine Komponente in Richtung der lokalen Sehne der Blattspitzenoberfläche von 15 bis 75 Grad haben. Im allgemeinen sind die Ausblasöffnungen in der Blattspitze im wesentlichen über deren ganzen Länge zwischen der Vorder- und der Hinterkante des Blattes angeordnet.According to the invention, the blade contains inclined elongated injection channels (long holes) on the blade tip surface, the angles between the axes of these channels and the radial axis of the blade having a component in the direction of the local chord of the blade tip surface of 15 to 75 degrees. In general, the exhaust openings are arranged in the blade tip substantially over its entire length between the leading and trailing edges of the blade.

In Turbomaschinen ist die lokale Sehne ungefähr parallel zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsgases entlang des Rotorblattes ausgerichtet. Die Hauptströmung wird dabei so geteilt, daß keine radiale Spaltströmung auftritt.In turbomachines, the local chord is aligned approximately parallel to the main flow direction of the working gas along the rotor blade. The main flow is divided in such a way that no radial gap flow occurs.

Ähnliche Einblaskanäle können in den Seitenwänden des Blattes nahe den Spitzen- und Blattwurzelbereichen sowie im Blattwurzel-Teil vorhanden sein. Das Fluid, das durch diese Kanäle strömt, unterstützt die Reduzierung des radialen Spaltstromes und/oder beruhigt die Strömung des Arbeitsfluides und macht sie gleichmäßiger.Similar injection channels may be present in the sidewalls of the blade near the tip and root areas as well as in the root section of the blade. The fluid flowing through these channels helps reduce the radial gap flow and/or calms the flow of the working fluid and makes it more uniform.

Es wurde festgestellt, daß der radiale Spaltstrom und die Grenzschicht an dem Blatt als auch die Eck-Septerationszonen durch diese spezielle Einblasungs- oder Einsaugungsanordnung, die an der Spitzenebene und an Schaufelbereichen nahe der Spitzen- bzw. Wurzelebene sowie am Wurzelbereich nahe des Schaufelprofils vorgesehen ist, gesteuert werden können. Das Wesen dieses Spaltstrom- und Grenzschichten-Steuerungsaufbaus basiert auf einem Luftvorhangeffekt, der verflochten ist mit einem Mitreißeffekt, der den Spaltstrom reduziert als auch die Grenzschicht steuert, so daß der Wirkungsgrad der Stufe erhöht und das Strömungsfeld hinter dem Blatt gleichmäßiger wird. Solche Anordnungen können auch in Ergänzung zur Reduzierung des Spaltstromes und der Steuerung der Grenzschicht für Kühlung sorgen.It has been found that the radial gap flow and the boundary layer on the blade as well as the corner segregation zones can be controlled by this special injection or suction arrangement provided at the tip plane and at blade regions near the tip and root planes, as well as at the root region near the blade profile. The essence of this gap flow and boundary layer control arrangement is based on an air curtain effect intertwined with an entrainment effect which reduces the gap flow as well as controls the boundary layer so that the efficiency of the stage is increased and the flow field behind the blade is more uniform. Such arrangements can also provide cooling in addition to reducing the gap flow and controlling the boundary layer.

Die vorhergehend aufgezeigten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie in der Zeichnung dargestellt, klarer.The foregoing and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of preferred Embodiments of the invention, as shown in the drawing, more clearly.

Short description of the drawing:

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht auf ein erfindungsgemäßes Rotorblatt, von dessen konkaven Seite aus betrachtet;Fig. 1 is a perspective view of a rotor blade according to the invention, viewed from its concave side;

Fig. 2 ist eine Perspektivansicht auf das Rotorblatt, von dessen konvexen Seite aus betrachtet;Fig. 2 is a perspective view of the rotor blade, viewed from its convex side;

Fig. 3 ist ein vertikaler Schnitt durch das Rotorblatt von der Vorder- zur Hinterkante deren Blattspitze;Fig. 3 is a vertical section through the rotor blade from the leading to the trailing edge of the blade tip;

Fig. 4 ist ein Detail der Fig. 3, die Einblaskanäle in der Blattspitzenoberfläche zeigend und ein Diagramm für die Richtung der Achsen der Ausblasöffnungen;Fig. 4 is a detail of Fig. 3 showing the injection channels in the blade tip surface and a diagram for the direction of the axes of the exhaust openings;

Fig. 5 ist ein vertikaler Schnitt durch das Rotorblatt von deren Spitze bis zur Wurzel;Fig. 5 is a vertical section through the rotor blade from its tip to its root;

Fig. 6 ist ein horizontaler Schnitt nahe der Blattspitze durch das Rotorblatt;Fig. 6 is a horizontal section near the blade tip through the rotor blade;

Fig. 7 ist ein horizontaler Schnitt durch das Blatt, in der Nähe des Blattfußes des Rotorblattes;Fig. 7 is a horizontal section through the blade, near the root of the rotor blade;

Fig. 8 ist ein vertikaler Schnitt durch die Blattwurzel des Rotorblattes;Fig. 8 is a vertical section through the blade root of the rotor blade;

Fig. 9a und 9b zeigen das qualitative Verhalten der Strömung nahe des radialen Spaltes eines Standardrotorblattes mit Einblasung eines Fluids in die Hauptströmung gemäß dieser Erfindung bzw. ohne EinblasungFig. 9a and 9b show the qualitative behavior of the flow near the radial gap of a standard rotor blade with injection of a fluid into the main flow according to this invention or without injection

Fig. 1 und 2 zeigen ein Blatt 10, bestehend aus einer Wurzel 12 und einer Schaufel 14. Die Schaufel 14 des Blattes 10 ist so ausgebildet, daß sie eine konkave Seite 16, eine konvexe Seite 17 definiert und eine Blattspitze 18 haben. Die Wurzel 12 des Blattes 10 hält das Blatt in einer runden Blattverankerung (nicht dargestellt) fest, die fest an dieser angebracht ist und enthält einen Einlaßkanal 13, der zu mehreren länglichen Einblaskanälen 30, 40A, 40B, 50A, 60A und 60B (Langlöcher) führt. Die Hauptströmungsrichtung eines Arbeitsfluids ist mit MF bezeichnet.Fig. 1 and 2 show a blade 10 consisting of a root 12 and a blade 14. The blade 14 of the blade 10 is designed such that it has a concave side 16, a convex side 17 and have a blade tip 18. The root 12 of the blade 10 holds the blade in a circular blade anchor (not shown) which is firmly attached thereto and contains an inlet channel 13 which leads to a plurality of elongated injection channels 30, 40A, 40B, 50A, 60A and 60B (slots). The main flow direction of a working fluid is designated MF.

Gemäß den Grundgedanken der Erfindung besitzt das Blatt 10 über eine allgemein ebene Oberfläche 19 an der Blattspitze 18, die ausgebildet ist zur Reduzierung des radialen Spaltstromes (Leckquerströmung), der von der Druckseite 16 zur Saugseite 17 des Blattes 10 über die Blattspitze 18 geführt wird. Wie bereits bekannt ist, kann ein radial sich ausdehnender Kragen entlang der Kante der Blattspitzenoberfläche 19 vorgesehen sein, um den Strömungswiderstand zwischen der Druck- und Saugseite zu erhöhen. Die Blattspitze 18 des Rotorblattes 10 enthält eine Vielzahl von länglichen Einblaskanälen 30, die in einer festgelegten Weise angeordnet sind wie z. B. dargestellt, in einer Reihe entlang der lokalen Sehne C der Blattspitzenoberfläche 19, die von der Vorderkante zu der Hinterkante führt. Die Einblaskanäle 30 sollen über die gesamte peripherale Länge des Rotorblattes 10 angeordnet sein. Das für die Einblasung benötigte Fluid, das durch die Hohlschaufel 14 fließt, tritt durch den Einlaßkanal 13 ein. Die Achsen A der länglichen Einblaskanälen 30 sind gegenüber der radialen Achse X des Blattes unter einem Winkel alpha von weniger als 90 Grad geneigt. In dieser Ausführungsform beträgt der Winkel 45 Grad. Die bevorzugten Werte dieses Winkels liegen zwischen 15 und 75 Grad. Die Einzelheiten der Einblaskanäle 30 sind in Fig. 3 und 4 dargestellt.According to the principles of the invention, the blade 10 has a generally planar surface 19 at the blade tip 18, which is designed to reduce the radial leakage flow (cross flow) that is directed from the pressure side 16 to the suction side 17 of the blade 10 over the blade tip 18. As is already known, a radially expanding collar may be provided along the edge of the blade tip surface 19 to increase the flow resistance between the pressure and suction sides. The blade tip 18 of the rotor blade 10 includes a plurality of elongated injection channels 30 arranged in a fixed manner, such as shown, in a row along the local chord C of the blade tip surface 19 leading from the leading edge to the trailing edge. The injection channels 30 are intended to be arranged over the entire peripheral length of the rotor blade 10. The fluid required for injection, which flows through the hollow blade 14, enters through the inlet channel 13. The axes A of the elongated injection channels 30 are inclined to the radial axis X of the blade at an angle alpha of less than 90 degrees. In this embodiment, the angle is 45 degrees. The preferred values of this angle are between 15 and 75 degrees. The details of the injection channels 30 are shown in Figs. 3 and 4.

Die lokale Richtung der Sehnenlänge ist im Diagramm der Fig. 4 mit Y bezeichnet, die Richtung senkrecht hierzu und senkrecht zur radialen Achse X mit Z. Die Achse A eines Einblaskanals liegt vorzugsweise in der Ebene X-Y, so daß das Fluid F stromabwärts mit einer Komponente Fy in der lokalen Richtung der Sehnenlänge, die zur Hinterkante des Rotorblattes führt, strömt.The local direction of the chord length is indicated in the diagram of Fig. 4 by Y, the direction perpendicular to this and perpendicular to the radial axis X by Z. The axis A of an injection channel preferably lies in the plane XY, so that the fluid F flows downstream with a component Fy in the local direction the chord length leading to the trailing edge of the rotor blade.

Jedoch sind Abweichungen von dieser Strömungsrichtung erlaubt, wie durch die gestrichelten Linien F1 bis F5 aufgezeigt, die die Komponenten der Fluidströmungen in der Z-Y Ebene darstellen. Diese Strömungsrichtungen haben alle eine Komponente in der Y-Richtung, die entweder zur Hinterkante (F1 und F2) oder zur Vorderkante (F3, F4 und F5) des Rotorblattes gerichtet sind. Nur die Komponente F1y ist dargestellt. Der Winkel zwischen der Y-Richtung und der Richtung der Strömung in der Z-Y-Ebene beträgt weniger als 90 Grad, vorzugsweise weniger als 60 Grad. Für Turbomaschinen wurden die besten Ergebnisse erzielt, wenn die Fluidströmung F in der lokalen X-Y-Ebene lag und gegen die Hinterkante mit einer Komponente Fy gerichtet ist.However, deviations from this flow direction are allowed, as shown by the dashed lines F1 to F5, which represent the components of the fluid flows in the Z-Y plane. These flow directions all have a component in the Y direction directed either towards the trailing edge (F1 and F2) or the leading edge (F3, F4 and F5) of the rotor blade. Only the component F1y is shown. The angle between the Y direction and the direction of the flow in the Z-Y plane is less than 90 degrees, preferably less than 60 degrees. For turbomachinery, the best results were obtained when the fluid flow F was in the local X-Y plane and directed towards the trailing edge with a component Fy.

Die Einblaskanäle 30 sehen somit Mittel vor, die die Grenzschicht des Blattes 10 an der Blattspitze 18 steuern und somit Mittel, die den radialen Spaltstrom, der die Blattspitze 18 überquert und die Wirbel nahe der Blattspitze 18, unterdrücken.The injection channels 30 thus provide means for controlling the boundary layer of the blade 10 at the blade tip 18 and thus means for suppressing the radial gap flow crossing the blade tip 18 and the vortices near the blade tip 18.

Die Blatt 10 enthält weiterhin eine Vielzahl von Einblaskanälen 40A auf der konkaven Seite 16 nahe der Blattspitze 18 und eine Vielzahl von Einblaskanälen 40B in der Nähe der Blattspitze 18 auf der konvexen Seite 17. Die Achsen der Einblaskanäle 40A an der Druckseite und die Kanäle 40B an der Saugseite bilden einen Winkel von weniger als 90 Grad zwischen der radial sich ausdehnenden Ebene der Spitze bzw. der Senkrechten auf der äußeren Wand. Sie haben eine Komponente in Richtung der lokalen Hauptströmung MF. In einem Einblasvorgang wie z. B. in einer Turbomaschine ist das Fluid, das durch die Einblaskanäle 40A und 40B tritt, aufwärts in Richtung auf die Hinterkante des Blattes gerichtet. Das Fluid für die Einblasung, das von dem Bereich der Schaufel 14 kommt, tritt über den Einlaßkanal 13 ein. Die Einzelheit der Einblaskanäle 40A und 40B und 50A und 50B ist in Fig. 5 enthalten. In dieser Figur, wie auch in Fig. 6 u. 7, scheinen sich die Kanäle 40A, 40B, 50A und 50B aufgrund des Winkels, den sie mit der Zeichenebene bilden, nicht bis zum Hohlbereich des Blattes 18 zu erstrecken. Die Kanäle sind jedoch mit dem Hohlraum verbunden. Die Einblaskanäle 40A und 40B sehen somit Mittel vor, die die Grenzschicht und Wirbel nahe der Spitze auf der konkaven Seite 16 bzw. der konvexen Seite 17 steuern. Darüber hinaus wird der Effekt der Reduzierung der Spaltströmung unterstützt. Wie dargestellt, bilden die Achsen dieser Kanäle Winkel von weniger als 90 Grad sowohl mit der Senkrechten auf die lokale Ebene des Rotorblattes als auch mit der radialen Achse des Rotorblattes. Die Achsen dieser Kanäle sind nicht senkrecht zur lokalen Ebene des Rotors.The blade 10 further includes a plurality of injection ports 40A on the concave side 16 near the blade tip 18 and a plurality of injection ports 40B near the blade tip 18 on the convex side 17. The axes of the injection ports 40A on the pressure side and the ports 40B on the suction side form an angle of less than 90 degrees between the radially extending plane of the tip and the perpendicular to the outer wall, respectively. They have a component in the direction of the local mainstream flow MF. In an injection process, such as in a turbomachine, the fluid passing through the injection ports 40A and 40B is directed upwardly toward the trailing edge of the blade. The fluid for injection coming from the area of the blade 14 enters via the inlet port 13. The detail of the injection channels 40A and 40B and 50A and 50B is shown in Fig. 5 In this figure, as in Figs. 6 and 7, the channels 40A, 40B, 50A and 50B do not appear to extend to the cavity region of the blade 18 due to the angle they form with the plane of the drawing. However, the channels are connected to the cavity. The injection channels 40A and 40B thus provide means for controlling the boundary layer and vortices near the tip on the concave side 16 and the convex side 17, respectively. In addition, the effect of reducing the gap flow is assisted. As shown, the axes of these channels form angles of less than 90 degrees with both the normal to the local plane of the rotor blade and the radial axis of the rotor blade. The axes of these channels are not perpendicular to the local plane of the rotor.

Wie in den Fig. 5 und 7 dargestellt, enthält das Blatt 10 eine Vielzahl von Einblaskanälen 50A und 50B, nahe der Ebene der Wurzel 44, auf der konkaven Seite 16 bzw. der konvexen Seite 17. Wie dargestellt, sind die Achsen der Einblaskanäle 50A und 50B gegen die Wurzel 44 geneigt und bilden Winkel von weniger als 90 Grad mit der lokalen Ebene der konkaven Seite 16 bzw. der konvexen Seite 17. Diese Achsen stehen jedoch nicht senkrecht zur lokalen Oberfläche. Die Achsen der länglichen Kanäle bilden auch einen Winkel von weniger als 90 Grad mit der radialen Achse des Rotors. Das Fluid für die Einblasung kommt von der Schaufel 14 und tritt in den Hohlraum an dem Einlaßkanal 13 ein. Die horizontale Einzelheit der Einblaskanäle 50A u. 50B sind in Fig. 7 dargestellt. Dadurch können die Einblaskanäle 50A und 50B Mittel vorsehen, die die Grenzschicht und Wirbel nahe der Wurzelebene auf der konkaven Seite 16 bzw. der konvexen Seite 17 steuern.As shown in Figures 5 and 7, the blade 10 includes a plurality of injection ports 50A and 50B near the plane of the root 44 on the concave side 16 and the convex side 17, respectively. As shown, the axes of the injection ports 50A and 50B are inclined toward the root 44 and form angles of less than 90 degrees with the local plane of the concave side 16 and the convex side 17, respectively. However, these axes are not perpendicular to the local surface. The axes of the elongated ports also form an angle of less than 90 degrees with the radial axis of the rotor. The fluid for injection comes from the blade 14 and enters the cavity at the inlet port 13. The horizontal detail of the injection ports 50A and 50B are shown in Figure 7. This allows the injection channels 50A and 50B to provide means for controlling the boundary layer and vortices near the root plane on the concave side 16 and the convex side 17, respectively.

Blatt 10 enthält ferner eine Vielzahl länglicher Einblaskanäle 60A und 60B, nahe der konkaven Seite 16 bzw. der konvexen Seite 17 auf der Ebene der Wurzel 44. Die länglichen Einblaskanäle 60A und 60B sind gegen die Seitenwände 16, 17 des Blattes gerichtet unter Winkeln von weniger als 90 Grad mit der lokalen Senkrechten der Wurzelebene 44. Das Fluid für die Einblasung tritt am Einlaßkanal 13 ein. Die Einzelheit der Einblaskanäle 60A und 60B ist in Fig. 5 dargestellt. Die Einblaskanäle 60A u. 60B sehen somit Mittel vor, die die Grenzschicht und Wirbel nahe der Ebene der Wurzel 44 jeweils auf der konkaven Seite 16 und der konvexen Seite 17 steuern.Blade 10 further includes a plurality of elongated injection channels 60A and 60B, near the concave side 16 and the convex side 17, respectively, at the plane of the root 44. The elongated injection channels 60A and 60B are directed against the side walls 16, 17 of the blade at angles of less than 90 degrees with the local normal of the root plane 44. The fluid for injection enters at the inlet channel 13. The detail of the Injection channels 60A and 60B are shown in Fig. 5. The injection channels 60A and 60B thus provide means for controlling the boundary layer and vortices near the plane of the root 44 on the concave side 16 and the convex side 17, respectively.

Fig. 9a zeigt das qualitative Verhalten der Hauptströmung MF entlang eines Standartversuchsblattes 10 im Blattspitzenbereich.Fig. 9a shows the qualitative behavior of the main flow MF along a standard test blade 10 in the blade tip area.

Durch wie in Fig. 4 dargestellte Einblaskanäle wird ein FluidThrough injection channels as shown in Fig. 4, a fluid

- kurze Pfeile F - in den Hauptstrom zwischen der Druck- und Saugseite und in Richtung eingeblasen und stromabwärts gegen die Hinterkante des Blattes gerichtet, mit einer Komponente in der Sehnenlinie C.- short arrows F - blown into the main flow between the pressure and suction sides and directed downstream against the trailing edge of the blade, with a component in the chord line C.

Die Hauptströmung MF wird in Richtung der Fluidströmung F geteilt. Kein radialer Spaltstrom tritt auf. Zudem ist die Hauptströmung geglättet, so daß die Sekundäreffekte im Strömungsfeld wie Wirbel und Verziehungen im Grenzschichtbereich signifikant reduziert werden. Das Volumen der Fluid-Einblasung durch die Kanäle in die Spaltregion beträgt 0,05% bis 0,4% des Arbeitsfluidvolumens in Abhängigkeit von der Anordnung des Blattes und des Gehäuses. Beste Ergebnisse können für ein Blatt, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, bei Werten zwischen 0-15% und 0,25% erreicht werden.The main flow MF is divided in the direction of the fluid flow F. No radial gap flow occurs. In addition, the main flow is smoothed so that the secondary effects in the flow field such as vortices and distortions in the boundary layer area are significantly reduced. The volume of fluid injection through the channels into the gap region is 0.05% to 0.4% of the working fluid volume depending on the arrangement of the blade and the casing. Best results can be achieved for a blade as shown in Fig. 1 and 2 at values between 0-15% and 0.25%.

Im Gegensatz hierzu erzeugt ein konventionelles Standard- Rotorblatt, das keine länglichen Einblaskanäle besitzt, die wie in Fig. 9a angeordnet und ausgerichtet sind, einen signifikanten Spaltstrom LF zwischen der Druckseite P zur Saugseite S der Hauptströmung MF, verbunden mit Sekundäreffekten. Es ist zu betonen, daß das Auftreten von Spaltstrom LF nicht unterdrückt werden kann, selbst wenn ein Fluid in den Spaltbereich radial oder in einer senkrechten Ebene zur lokalen Sehnenlänge ausgeblasen wird, wie aus dem Stand der Technik zum Zwecke der Kühlung bekannt ist.In contrast, a conventional standard rotor blade, which does not have elongated injection channels arranged and aligned as in Fig. 9a, generates a significant gap flow LF between the pressure side P to the suction side S of the main flow MF, associated with secondary effects. It should be emphasized that the occurrence of gap flow LF cannot be suppressed even if a fluid is blown into the gap region radially or in a plane perpendicular to the local chord length, as is known from the prior art for cooling purposes.

Die Erfindung kann verwendet werden, z. B. um den Spaltstrom zwischen einem Stator mit justierbaren Leitschaufeln und einer rotierenden Welle zu reduzieren und um die Sekundäreffekte der Hauptströmung zu verbessern, wie oben ausgeführt.The invention can be used, for example, to reduce the gap flow between a stator with adjustable guide vanes and a rotating shaft and to improve the secondary effects of the main flow, as stated above.

Claims

1. Blade (10), in particular a rotor blade, which rotates in a housing with a gap between the rotor and the housing, with the following features:

a root (12),

Blades (14) with walls which define with their contour concave or convex sides for interaction with a main flow (MF) of a fluid,

a cavity connecting the root and blades (12, 14) through which a fluid flow flows, and

a blade tip (18) having on its surface (19) a plurality of elongate injection channels (30), the openings of which are distributed on the surface (19) of the blade tip (18) substantially over its entire chord length (C) from the leading to the trailing edge of the blade tip surface (19), characterized in that the angle (alpha) between the axis (A) of each injection channel (30) and the radial axis (X) of the blade (10) has a component (Fy, Fty, F4) in the direction of the local chord (C, Y) of the blade surface (19) of between 15 and 75 degrees, thereby creating an air curtain effect mixed with an entrainment effect, thereby reducing the leakage cross-flow at the blade tip.

2. Blade according to claim 1, wherein the angle (alpha) between the axis (A) of each injection channel (30) and the radial axis (X) of the blade (10) is 45 degrees.

3. Blade (10) according to claim 1 or 2, wherein the injection openings of the channels (30) are arranged in a generally flat surface (19) of the blade tip (18).

4. Blade (10) according to one of the preceding claims, with a plurality of elongate blow-down channels (40A, 40B) in the concave and convex sides (16, 17) near the blade tip (18), wherein the axis of each channel (40A, 40B) forms an angle less than 90 degrees with the local perpendicular to the outer wall and also an angle less than 90 degrees with a radial axis of the blade (10).

5. A blade according to claim 4, wherein the axis of each injection channel (40A, 40B) is directed upwards towards the tip region (18) of the blade (10) and towards the rear end of the blade (10).

6. Blade (10) according to one of the preceding claims, with a plurality of elongated injection channels (50A, 50B) in the concave and convex sides (16, 17) near the root region (44) of the blade (10), the axes of the channels (50A, 50B) being directed towards the root region (12, 44).

7. Blade (10) according to claim 6, wherein the axis of each injection channel (50A, 50B) forms an angle of less than 90 degrees with the local perpendicular to the corresponding outer wall (16, 17) of the blade and also an angle of less than 90 degrees with the radial axis (X) of the blade (10).

8. Blade (10) according to claim 6 or 7, wherein the axis of each injection channel (50A, 50B) has a component towards the rear end of the blade (10).

9. Blade (10) according to one of the preceding claims, with a plurality of elongated injection channels (60A, 60B) in the root region (12, 44) near the concave and convex sides (16, 17) of the blade (10), the axis of each channel (60A, 60B) being directed towards the blade surface (16, 17).

10. Blade (10) according to claim 9, wherein the axis of each injection channel forms an angle of less than 90 degrees with the local plane (44) of the root region (12).

11. Blade (10) according to claim 10, wherein the axes of the injection channels (60A, 60B) have a component towards the rear end of the blade (10).

12. A blade (10) according to any one of claims 1 to 3, wherein the fluid volume rate flowing through the blow-through channels (30) in the blade tip surface is 0.05% to 0.4% of the main flow volume rate.

13. The blade (10) of claim 12, wherein the fluid volume rate flowing through the injection channels (30) is 0.15% to 0.25% of the volume rate of the main flow.