DE4333865C1 - Schaufelblatt für eine Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Gasturbine mit wenigstens einer saugseitigen Öffnung zur Beeinflussung der Strömung mittels Querströmung, wobei mit der Öffnung kom­ munizierende Mittel innerhalb des Schaufelblattes zur Erzeugung von Druckschwankungen in einem Schaufelhohlraum vorgesehen sind, mit denen ein Gasstrom bei stationärer Betriebsbedingung durch die Öffnung pulsierend eingesaugt und ausgeblasen wird.

Derartige Öffnungen auf der Saugseite eines Tragflügels sind aus der Veröffentlichung "Forcing Level Effect of Internal Acoustic Exitation of the Improvement of Airfoil Performance", von F. Hsiao u. a. AIAA 13th Aerocoustics Conference, Oktober, 1990, Tallahassee, Fl, USA, Herausgeber, American Institute of Aeroanautics and Astronautics, 1990, dort Fig. 1, bekannt. Diese Veröffentlichung beschreibt die Beeinflussung der Grenz­ schicht an Tragflügelprofilen unter der besonderen Berücksichtigung von großen Anstellwinkeln in der Start- und Landephase mit hohen Reynoldszahlen, wobei im Vorderkantenbereich eines Tragflügels die abgelöste Grenzschicht durch instationäre Gasströme beein­ flußt wird.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung lassen sich nicht unmittelbar auf Schaufelblätter in Gasturbinen übertragen, da die Er­ zeugung eines instationären Querstroms im Bereich der Vorderkante des Schaufelblattes den Wirkungsgrad einer Gasturbinenschaufel, die bei niedrigen Reynoldszahlen betrieben wird, vermindert. Die obige Ver­ öffentlichung beschränkt sich auf die bekannte Beeinflussung in­ stationärer Blasen die bei hohen Reynoldszahlen auftreten und erfaßt nicht die Beeinflussung stationärer Blasen die bei niedrigen Rey­ noldszahlen vorhanden sind. Besonders bei niedrigen Reynoldszahlen, wie sie in Niederdruckturbinen auftreten, können sich stationäre Blasen über der Schaufelbogenlänge ausbilden, was enorme Wirkungs­ gradverluste zur Folge hat.

Nach der obigen Veröffentlichung werden Druckschwankungen für die Versorgung des instationären Querstroms mittels eines zentralen volu­ minösen Lautsprechers erzeugt, der sich nicht mit einer Gasturbinen­ schaufel integrieren oder in einer Gasturbinenschaufel unterbringen läßt.

Aus der Patentschrift DE 34 44 485 ist ein Verfahren zur Beeinflus­ sung der Strömung an umströmten Tragflächen im Sinne einer Wider­ standsverminderung nach dem Prinzip der passiven Strömungsanpassung an die Tragfläche bekannt, wobei durch periodische Änderung der Ge­ ometrie der Tragfläche ein variabler instationärer Körper erzeugt wird, an dem sich die natürliche stationäre Umströmung im Sinne der Widerstandsminderung und einer zusätzlichen Auftriebserhöhung als die passive Strömungsanpassung einstellt. Die Ergebnisse sind nicht auf rotierende Laufschaufeln zwischen Leitschaufelgittern übertragbar, weil Laufschaufeln hohe Krümmungen der Schaufelblätter aufweisen. Auch die Wechselwirkung zwischen den Schaufelblättern bei der übli­ chen Schaufelgitteranordnung in Gasturbinen läßt eine analoge Über­ tragung der Ergebnisse der obigen Untersuchungen und Druckschriften, die sich auf die Untersuchungen an Tragflügeln beziehen, auf Schau­ felblätter in Schaufelgitteranordnungen nicht zu.

Die Druckschrift DE-AS 10 26 037 offenbart deckbandlose Laufschaufeln für axial durchströmte Kreiselradmaschinen mit in der wandnahen Zone der Profiloberseite angeordneten Bohrungen, durch die von der Pro­ filunterseite hergeleitetes energiereiches Strömungsmittel austritt, wobei die Bohrungen von einer wandfernen Zone der Profilunterseite ausgehen. Mit dieser Lösung ist ein hoher Energieverlust verbunden, da die ausströmende Gasmenge auf der Saugseite der Druckseite ent­ zogen wild.

Aus der Offenlegungsschrift DE 35 32 587 A1 ist eine Oberflächen­ konstruktion mit geringerem Strömungswiderstand bekannt, bei der in Strömungsrichtung Wirbel, die mit etwa halber Strömungs­ geschwindigkeit abfließen, stabilisiert werden, so daß die stationäre Strömung auf der gesamten Oberfläche des umströmten Körpers betroffen ist. Diese Druckschrift lehrt, daß eine Vielzahl von Öffnungen oder Schlitzen relativ gleichmäßig auf der Oberfläche zu verteilen sind, um den Strömungswiderstand zu ver­ mindern. Eine derartige Vielzahl von Öffnungen schwächt jedoch Schaufelblätter, die in Triebwerken eingesetzt werden.

Aus EP 0 330 601 A1 sind luftgekühlte Turbinenschaufeln bekannt, die auf der Saug- und Druckseite der Schaufelblätter Öffnungen aufweisen. Aus diesen Öffnungen strömt ein stationärer Luft­ strom zur Erzeugung eines Kühlfilms auf den Oberflächen des Schaufelblattes. Die Öffnungen sind deshalb gleichmäßig und dicht nebeneinander in geraden Linien parallel zur Vorder- oder Hinterkante eines Schaufelblattes auf den saug- und druckseitigen Oberflächen des Schaufelblattes aufgereiht, um einen Kühlfilm in gleichmäßiger Dicke, ohne Störung der Umströmung des Schaufelblattes zu erzeugen. Ein Nachteil dieser Öffnungen ist, daß sie nicht zur Steigerung des strömungstechnischen Wirkungsgrades beitragen.

Aus "Grenzschicht-Theorie" von H. Schlichting, Wissenschaftliche Bücherei, Verlag G. Braun, Karlsruhe, 1982, Seite 389 ist bekannt, daß im Bereich der Ablösestelle der laminaren Strömung Öffnungen vorgesehen werden können, die dazu dienen, Luft einzusaugen, um damit die Bildung von Ablöseblasen zu vermeiden.

Die Anordnung und Funktion der nach H. Schlichting bekannten Öffnungen haben, wenn sie auf der Saugseite einer Gasturbinen­ schaufel angebracht werden, den Nachteil, daß der Umschlag bis zum Wiederanlegen der turbulenten Strömung vor der Hinterkante des Schaufelblattes nicht abgeschlossen ist. Wie bei einem Schaufelblatt ohne Öffnungen fällt nachteilig der Wirkungsgrad der Turbinenstufe bei geringen Reynoldszahlen erheblich ab. Deshalb besteht der Nachteil der bekannten Auslegungen der Schaufelblattkonstruktion darin, daß der turbulente Bereich der Schaufellauflänge bei niedrigen Reynoldszahlen aus Sicherheits­ gründen nicht kürzer gemacht werden kann.

Bekannt sind auch Schaufelblattkonstruktionen, bei denen Hilfs­ massenschwinger in Hohlräumen der Schaufelblattspitze angeordnet sind, um das Vibrieren der Schaufelblattspitzen für eine ganz bestimmte Eigenfrequenz zu vermindern, indem die Schaufeln durch den zusätzlichen Hilfsmassenschwinger verstimmt werden. Durch eine Beschichtung des Hilfsmassenschwingers, die als Dämpfer wirkt, wird dem System Energie entzogen und in Wärme umge­ wandelt. In der Veröffentlichung D.I. Jones u. a. "Vibrating Beam Dampers for Reducing Vibration in Gas Turbine Blades" werden einseitig und zweiseitig eingespannte beschichtete, metallische Zungen und weitere Konfigurationen offenbart, die so bemessen sind, daß ihre Eigenschwingungen die Schaufel­ spitzenvibration vermindern und damit eine mechanische Überbean­ spruchung einer aerodynamisch verbesserten und folglich mechanisch geschwächten Schaufel vermeiden.

Ein Nachteil dieser Hilfsmassenschwinger ist, daß sie nicht unmittelbar auf das Strömungsverhalten des Schaufelblattes einwirken können. Außerdem unterliegt die dämpfende Beschichtung des Hilfsmassenschwingers dem Einfluß der Fliehkräfte, was Schubspannungen im Dämpfermaterial bis hin zum Kriechen des Dämpfermaterials bewirkt und damit die Frequenzabstimmung gegenüber einer Abstimmung ohne Fliehkraft verändert. Darüber hinaus ist der Elastizitätsmodul einer Dämpferschicht temperatur­ abhängig, was ebenfalls die Frequenzabstimmung verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Schaufelblatt für eine Gasturbine, die bei gesteigerter Stufenarbeit den Wirkungs­ grad beibehält oder bei gleichbleibender Stufenarbeit einen ver­ besserten Wirkungsgrad durch verbesserte Schaufelblattaerodynamik aufweist, anzugeben und ein Auftreten stationärer Blasen bei niedrigen Reynoldszahlen im Betrieb zu unterbinden und die Bildung instationäre Blasen anzuregen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Öffnung auf der Saugseite in der stromabwärts gelegenen Hälfte des Schaufelblattes angeordnet ist und diese Öffnung im Bereich der saugseitigen Schaufelblattbogenlänge zwischen 20% der Bogenlänge stromauf des Ortes des Maximums des Dissipationskoeffizienten bei instationärer Blase und 10% der Bogenlänge stromab des Ortes des Maximums des Dissipationskoeffizienten angeordnet ist.

Die saugseitige Öffnung bewirkt damit pulsierende Quermassenströme in der Grenzschicht. Durch die Öffnung hindurch wird dazu ein Gas­ massenstrom pulsierend eingesaugt und ausgeblasen, so daß vorteilhaft beim Betrieb der Gasturbine mögliche stabile Blasen, die bei nie­ drigen Reynoldszahlen auftreten, durch die Anordnung der erfindungs­ gemäßen Öffnung und durch den Einfluß des Quermassenstromes an dieser Öffnung vermieden werden und die Strömung in eine sich wieder an­ legende turbulente Strömung bis zum Schaufelblattende umgewandelt wird, wodurch vorteilhaft höchstens instabile Blasen auftreten kön­ nen. Ohne den Einfluß des erfindungsgemäß in diesem Bereich der saug­ seitigen Schaufelblattoberfläche auftretenden instationären Quer­ massenstromes würde die Strömung bis zum Schaufelblattende nicht turbulent wieder anlegen. Der Verlauf des Dissipationskoeffizienten C_D wird mit bekannten aerodynamischen Berechnungsverfahren auf der Saugseite eines Schaufelprofils für einen vorgegebenen Betriebspunkt mit instationärer Blase erhalten. Dabei ist der Dissipationskoef­ fizient wie folgt definiert:

mit
u = wandparallele Strömungsgeschwindigkeit
u_e = Geschwindigkeit am Grenzschichtrand
δ_e = Dichte des Strömungsmediums am Grenzschichtrand
= Schubspannung in u-Richtung
y = Koordinate normal zur Wand

Die saugseitigen Öffnungen können dafür vorzugsweise rund oder schlitzförmig ausgebildet sein und an Stelle des pulsierenden Gas­ stroms kann vorzugsweise auch ein stochastisch oder periodisch auf­ tretender Quermassenstrom erzeugt werden, was vorteilhaft die Gestaltung der den Quermassenstrom erzeugenden Mittel, die inner­ halb des Schaufelblattes angeordnet sind, vereinfacht.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist mindestens eine Öffnung im rotorseitigen Bereich der Laufrad- und/oder Leit­ kranzschaufelblätter eines Lauf- und/oder Leitgitters angeordnet. Dazu wird mindestens eine Öffnung für ein Leitschaufelblatt im Bereich des Schaufelblattkopfes und/oder für ein Laufschaufel­ blatt im Bereich des Schaufelblattfußes positioniert. Innerhalb einer Stufe einer Gasturbine weist deshalb jede Laufradschaufel mindestens eine erfindungsgemäße Öffnung im Schaufelfußbereich und/oder jede Leitkranzschaufel mindestens eine Öffnung im Kopfbereich auf. Mit dieser Anordnung der Öffnung wird erreicht, daß im rotorseitigen Bereich der Schaufelblätter, in dem die aerodynamischen Belastungen ein Maximum erreichen, der Wirkungsgrad bereits durch eine einzige erfindungsgemäß angeordnete Öffnung ver­ bessert wird.

Mehrere Öffnungen sind vorzugsweise in gleicher Schaufelblatthöhe in einem Abstand von 1 bis 10% der saugseitigen Schaufelblattbogen­ länge angeordnet. Das hat den Vorteil, daß die positive aero­ dynamische Wirkung in einem kritischen Bereich der aerodynamischen Belastung für eine berechnete Schaufelblatthöhe durch mehrere in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Quermassenströme verstärkt wird.

Eine gerade oder geschwungene Reihe von Öffnungen kann sich auch in Richtung der Schaufelblatthöhe erstrecken. Die Abstände der Öffnungen auf einzelnen Schaufelblättern können dabei variieren, so daß vor­ zugsweise die Öffnungen im rotorseitigen Bereich von Laufrad- und/oder Leitkranzschaufelblättern in geringerem Abstand als im gehäuseseitigen Bereich der Schaufelblätter angeordnet sind. Dadurch wird vorteilhaft eine höhere Querstromdichte in den Schaufelblattbe­ reichen erreicht, in denen die aerodynamische Belastung der Schaufeln in der Gasturbine am größten ist.

Die Öffnungen werden vorzugsweise in einem Abstand von 1 bis 20% der Schaufelblatthöhe in Richtung der Schaufelblatthöhe angeordnet. Das hat den Vorteil, daß die Anzahl der Öffnungen der Schaufelgröße angepaßt sind, wobei Schaufelblatthöhen von mindestens 15 mm die kleineren Abstände aufweisen und die Abstände mit wachsender Schaufelblatthöhe zunehmen.

Eine weitere bevorzugte Anordnung der Öffnungen weist mehrere Öffnungen, die sich in geschwungener Linie vom rotorseitigen Ende zum gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes erstrecken auf. Der Abstand der Öffnungen zum Ort des Maximums des Dissipations­ koeffizienten in Richtung des Schaufelblattbogens ist dabei gleichmäßig. Diese Anordnung der Öffnungen hat den Vorteil, daß das Schaufelblatt in voller Höhe aerodynamisch verbessert werden kann.

Eine weitere bevorzugte Anordnung der Öffnungen besteht darin, daß mehrere Öffnungen in geschwungener Linie vom rotorseitigen Ende zum gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes am Ort des Maximus des Dis­ sipationskoeffizienten angeordnet sind. Diese Lösung hat den Vorteil, das ein Optimum an aerodynamischer Verbesserung mittels instationärer Quermassenströme erreicht wird. Das Maximum dieses Verlaufs in der stromabwärtsgelegenen Hälfte des Schaufelblattes, vorzugsweise im Bereich der Schaufelblattbogenlänge zwischen 65% und 95% stromab der Vorderkante, gibt dann die Stelle an, an der die abgelöste Strömung turbulent wird.

Mit diesem für die Positionierung mindestens einer Öffnung bevor­ zugten Bereich der Schaufelblattbogenlänge, ist der Vorteil ver­ bunden, daß instationäre Ablöseblasen erzeugt werden, deren Erstreckung längs des Schaufelprofils durch gezielte Maßnahmen an der Schaufelblattkonstruktion so kurz sind, daß der abgelöste laminare Grenzschichtrand turbulent wird und sich bis zur Hinterkante des Schaufelblattes turbulent wieder anlegt. Damit wird vorteilhaft erreicht, daß die Strömungsverluste bei gleicher Stufenarbeit reduziert werden.

Wenn vorzugsweise mindestens eine Öffnung direkt am Ort des Maximums des Dissipationskoeffizienten angeordnet ist, kann gegenüber bishe­ rigen Schaufelprofilauslegungen vorteilhaft erreicht werden, daß die Lauflänge der laminaren Strömungsform verlängert wird, ohne daß sta­ tionäre Blasen auftreten. Das Geschwindigkeitsdefizit zwischen der Stelle, an der der abgelöste laminare Grenzschichtrand turbulent werden soll und der Stelle, an der die Strömung turbulent wieder anliegt, wird vorteilhaft durch den Quermassenstrom aus mindestens einer Öffnung direkt am Ort des Maximums des Dissipationskoef­ fizienten optimal gedeckt. Die mindestens eine Öffnung liegt damit vorteilhaft soweit stromab auf der Saugseite des Schaufelblattes und der zeitliche Impuls des Quermassenstromes ist so günstig bemessen, daß es zu keiner direkten Rückwirkung zum Punkt der laminaren Ablö­ sung kommt und dadurch der Umschlagprozeß weiter stromauf des Punk­ tes der laminaren Ablösung beginnt.

Die Frequenz, mit der der Quermassenstrom aus den Öffnungen ausge­ blasen bzw. eingesogen wird, soll größer als Null sein. Sie soll jedoch vorzugsweise zwischen dem Maximum des Amplitudenspektrums liegen, das ein instationärer Aufnehmer, an der Stelle mißt, an der der abgelöste Grenzschichtrand turbulent wird und der Vortex-Shedding Frequenz liegen. Dieser bevorzugte Frequenzbereich umfaßt die Fre­ quenzen von etwa 0,8 bis 70 kHz bei einer beispielhaften Bogenlänge des Schaufelblattes von 40 mm und einer beispielhaften Abströmge­ schwindigkeit von 200 m/s.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist als Mittel eine in den Schaufelhohlraum mit Spielpassung eingepaßte schwingfä­ hige Metallzunge vorgesehen, die die Gassäule des Hohlraums der Schaufel mit instationären Druckschwankungen beaufschlagt. Diese Metallzunge wird ähnlich einem Hilfsmassenschwinger von den Vibrationen des Schaufelblattes zu Schwingungen angeregt. Da die erfindungsgemäße Metallzunge im Gegensatz zum Hilfsmassenschwinger nicht frei im Schaufelhohlraum schwingt, sondern in den Hohlraum schwingfähig mit Spielpassung eingepaßt ist, wirkt sie auf die Gas­ säulen beiderseits der Metallzunge im Hohlraum und beaufschlagt diese mit instationären Druckschankungen zu beiden Seiten der Metallzunge, so daß in den nachgeschalteten Öffnungen auf der Saugseite des Schau­ felblattes instationäre oder periodische Quermassenströme erzeugt werden.

Durch den Strömungswiderstand in den Öffnungen und den Pumpeffekt zur Erzeugung des Quermassenstroms kann gleichzeitig vorteilhaft die Schwingung und Vibration des Schaufelblattes gedämpft werden. Dazu weist das Schaufelblatt vorzugsweise einen durch Seitenwände und mindestens eine Referenzwand abgegrenzten Hohlraum mit einer schwing­ fähigen parallel zur Referenzwand mit Spielpassung zu drei Seiten­ wänden eingepaßten Metallzunge auf, die zur Erzeugung eines in­ stationären Gasstroms durch die Öffnungen hindurch einseitig fest in einer vierten Seitenwand des Schaufelblatthohlraums eingespannt ist. Damit wird die Schwingung der Metallzunge und folglich die Schau­ felblattvibration vorteilhaft in eine nutzbringende kinetische Ener­ gie des Querstroms umgesetzt.

Zusätzlich kann die Metallzunge Drosselbohrungen aufweisen, so daß die Schwingungsdämpfung verstärkt wird. Damit wird vorteilhaft eine hohe Schwingungsdämpfung ohne Beschichtung der Metallzunge erreicht und die Metallzunge wird zu einem bevorzugten Hilfsmassenschwinger mit strömungsmechanischer, von Fliehkräften unabhängiger Dämpfung.

Vorzugsweise stehen die Drosselbohrungen oder Drosselspalten mit den Öffnungen im Schaufelblatt in Wechselwirkung, so daß vorteilhaft eine zuverlässige Erzeugung eines gasförmigen Quermassenstroms für die gezielte Auslösung von periodisch/turbulenter Strömung und zur Bildung von instationären Ablöseblasen auf dem Schaufelblatt und gleichzeitig eine von Fliehkräften und Temperatur unabhängige Dämp­ fung der Schwingungen des Schaufelblattes erreicht wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist als Mit­ tel innerhalb des Schaufelblattes mindestens ein Helmholtz-Resonator angeordnet. Helmholtz-Resonatoren sind bei erfindungsgemäßer Anord­ nung geeignet mit den auf der Schaufeloberfläche auftretenden nach­ teiligen Druckschwankungen in Resonanz zu treten und diese Druck­ schwankungen in nutzbringende Quermassenströme umzuwandeln.

Eine wesentlichen Quelle der nachteiligen Druckschwankungen sind die aerodynamischen Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schau­ felgittern. Hinzu kommen stationäre Ungleichförmigkeiten in der Zu­ strömung zu den Rotoren. Darüber hinaus sind die Turbulenzen in der Grenzschicht Quellen der Druckschwankungen. Schaufelschwingungen und einfallende Schallwellen tragen ebenso zur Entstehung nachteiligen Druckschwankungen auf der Schaufeloberfläche bei.

Zur Umwandlung dieser Druckschwankungen in Quermassenströme an den erfindungsgemäßen Positionen auf der Schaufelblattoberfläche wird vorzugsweise der Schaufelhohlraum als Kammervolumen V mit Res­ onatorhals eines Helmholtz-Resonators ausgebildet, wobei die mindest­ ens eine Öffnung den Abschluß des Resonatorhalses bildet. Der Res­ onatorhals mit seiner Querschnittsfläche S und seiner Länge l sowie einem Radius R und das Kammervolumen V werden entsprechend den be­ kannten Dimensionierungsvorschriften für eine Resonanzfrequenz f wie folgt ausgelegt:

mit c als Schallgeschwindigkeit.

Dabei wird der Auslegung die Resonanzfrequenz f in dem bevorzugten Bereich von 0,8 bis 70 KHz für eine beispielhafte Schaufelbogenlänge von 40 mm und eine beispielhafte Abströmgeschwindigkeit von 200 m/s zugrunde gelegt und auf die stärkste der o.a. Quellen für Druck­ schwankungen abgestimmt.

Da mit der Erzeugung des Quermassenstroms durch einen Helmholtz-Res­ onator nicht nur der aerodynamische Wirkungsgrad des Schaufelblattes steigt, sondern gleichzeitig negative Druckschwankungen im Bereich der Resonatorfrequenz vermindert werden, hat der Helmholtz-Resonator als Mittel innerhalb des Schaufelblattes zur Erzeugung eines Quer­ massenstroms weitere Vorteile, indem er teilweise den umweltbe­ lastenden Lärmpegel senkt und die Schallenergie in nutzbringende Energie umsetzt, störende Druckschwankungen als Folge aerodynamischer Wechselwirkungen zwischen benachbarten Schaufelgittern mindert, sta­ tionäre Ungleichförmigkeiten in der Zuströmung ausnutzt und teilweise Turbulenzen in der Außenströmung nutzbringend in Quermassenströme umwandelt. Schaufelschwingungen und -vibrationen können darüber hin­ aus teilweise durch den Helmholtz-Resonator gedämpft werden.

Um diesen Nutzeffekt zu verstärken, weist vorzugsweise der Schau­ felblatthohlraum mehrere durch innere Öffnungen gekoppelte Hohlräume auf, die als Kammervolumina für mehrere Resonanzfrequenzen ausgelegt sind. Damit werden vorteilhaft gleich mehrere störende Quellen für Druckschwankungen im akustischen Wellenbereich gedämpft.

Die gekoppelten Hohlräume können in der Profiltiefe oder in Richtung der Schaufelblatthöhe gestaffelt angeordnet sein. Eine Staffelung in Richtung der Schaufelblatthöhe ist dann besonders vorteilhaft, wenn an einem Ort Quermassenströme für mehrere Resonanzfrequenzen erzeugt werden sollen. Eine Staffelung in Richtung der Profiltiefe ist dann besonders vorteilhaft, wenn mit einem Kammervolumen vorzugsweise mehr als eine Öffnung auf der Saugseite des Schaufelblattes kom­ muniziert, und diese Öffnungen für mehr als eine Schallfrequenz Quer­ ströme erzeugen sollen. Durch Trennwände isolierte Kammervolumina mit mindestens einem Resonatorhals pro Kammervolumen werden dann vorzugs­ weise eingesetzt, wenn über der Schaufelblatthöhe mehrere Öffnungen angeordnet sind, und die Druckschwankungen entlang der Schau­ felblatthöhe zueinander Phasenverschiebungen aufweisen.

An Hand der anliegenden Abbildungen wird die Erfindung beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Turbinenstufe mit erfin­ dungsgemäßen Öffnungen in Leit- und Laufschaufeln,

Fig. 2 eine Leitschaufel mit mehreren erfindungsgemäßen Öffnungen,

Fig. 3a einen Schnitt durch einen Schaufelblatthohlraum mit Metallzunge, die schwingfähig und mit Spielpassung eingepaßt ist,

Fig. 3b eine Anordnung eines im Inneren des Schaufelblattes ausgebildeten Schaufelblatthohlraums mit Metallzunge,

Fig. 4a eine Anordnung eines im Innern eines Schaufelblattes ausgebildeten Helmholtz-Resonators,

Fig. 4b eine Anordnung mit mehreren in Schaufelblattiefe ge­ staffelten Helmholtz-Resonatoren,

Fig. 5 ein Diagramm zur Lokalisierung des Maximums des Dissi­ pationskoeffizienten auf der saugseitigen Schaufel­ bogenlänge.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Turbinenstufe mit er­ findungsgemäßen Öffnungen 3 in Leit- 20 und Laufschaufeln 21, wobei die Laufschaufeln 21 und ihren Schaufelfüßen 27 von einer Rotor­ scheibe und die Leitschaufeln 20 von einem rotorseitigen Deckband 28 an ihren Schaufelspitzen und einem gehäuseseitigen Deckband 29 an ihren Schaufelfüßen gehalten werden. Die Öffnungen 3 dienen der Beeinflussung der saugseitigen Strömung mittels instationärer, pul­ sierender oder periodischer Querströmung. Durch Mittel innerhalb des Schaufelblattes, wie sie beispielsweise die Fig. 3 und 4 zeigen, wird der Druck im Schaufelhohlraum 23 so geändert, daß Gas pulsierend, stochastisch und/oder periodisch durch die Öffnungen 3 in der strom­ abwärtsgelegenen Hälfte der Schaufelblattoberfläche in Pfeilrichtung A eingesaugt und Pfeilrichtung B ausgeblasen wird. Der bevorzugte Bereich der saugseitigen Schaufelblattbogenlänge 25, in dem die Öff­ nungen angeordnet sind, liegt zwischen 65% und 95% stromab der Vor­ derkante 24 der Schaufelblätter 20, 21. Dadurch ermöglichen die Öff­ nungen 3 in Zusammenwirken mit den Mitteln innerhalb des Schau­ felblattes einen pulsierenden Gasstrom bei stationären Betriebsbe­ dingungen, der quer oder schräg zur stationären Gasströmung gerichtet ist. Dieser pulsierende, stochastische und/oder periodische Gasstrom quer oder schräg zur Anströmrichtung der Schaufelblätter 20, 21 be­ wirkt ein rechtzeitiges Wiederanlegen der Strömung vor den Hinter­ kanten 26 der Schaufelblätter 20, 21.

Besonders wirksam erweist sich bereits eine Öffnung pro Schau­ felblatt, wenn sie wie in diesem Beispiel an der Stelle über der Schaufelblatthöhe positioniert wird, an der eine maximale aerodyna­ mische Belastung auftritt. Bei der Turbinenstufe dieses Beispiels liegt diese im rotorseitigen Bereich der Lauf- oder Leitgitter. Wie Fig. 1 zeigt, sind deshalb in diesem Beispiel bei den Leitschaufeln 20, mindestens eine Öffnung 3 im Kopfbereich der Schaufelblätter und bei den Laufschaufeln 21 eine Öffnung 3 im Fußbereich der Schau­ felblätter jeweils auf der Saugseite 34 in einem Abstand von 75% des Schaufelbogens von der Vorderkante 24 des Schaufelblattes angeordnet.

Zur Verstärkung des Querstroms können auf gleicher Schaufelblatthöhe in Richtung des Schaufelbogens 25 mehrere Öffnungen 3 beispiels­ weise im Abstand von 85%, 80% und 75% der Schaufelblattbogenlänge von der Vorderkante 24 aus angeordnet werden.

Fig. 2 zeigt eine Leitschaufel 21 mit mehreren erfindungsgemäßen Öffnungen 3 vom rotorseitigen Ende 30 zum gehäuseseitigen Ende 31 des Schaufelblattes 22 der Leitschaufel 21, die in geschwungener Linie mit gleichmäßigem Abstand zum Ort des Maximums des Dissipationskoef­ fizienten (gestrichelte Linie M) in Richtung des Schaufelblattbogens angeordnet sind. In diesem Beispiel beträgt der gleichmäßige Abstand 1% stromab vom Maximums des Dissipationskoeffizienten (gestrichelte Linie M). Die Änderungen des Dissipationskoeffizienten über der saug­ seitigen Bogenlänge einer Schaufel zeigt Fig. 5. Das Diagramm bildet auf der y-Achse den relativen Wert des Dissipationskoeffizienten cd und des Wandreibungskoeffizienten cf im mittleren Bereich der Schau­ felblatthöhe des Schaufelblattprofils, wie es in Fig. 2 eingesetzt wird, ab. Auf der x-Achse wird die relative saugseitige Schau­ felblattbogenlänge in % aufgetragen. Wie Fig. 5 zeigt, mit der die Lokalisierung des Maximums des Dissipationskoeffizienten auf der saugseitigen Schaufelbogenlänge dargestellt wird, liegt das Maximum M des Dissipationskoeffizienten cd in diesem Beispiel stromab des Punk­ tes f der laminaren Ablösung. Der Umschlag, das heißt das Maximum des Dissipationskoeffizienten, liegt in diesem Beispiel bei negativen Wandreibungskoeffizienten und bei 68% der Schaufelblattbogenlänge im mittleren Bereich der Schaufelblatthöhe.

Gleichzeitig wird in Fig. 2 der Abstand in Richtung der Schau­ felblatthöhe zwischen den Öffnungen 3 variiert, so daß die Öffnungen 3 im Kopf- oder Spitzenbereich 32 des Schaufelblattes näher beieinan­ der sind, als im Fußbereich 33. Damit wird die höhere aerodynamische Belastung, die in diesem Beispiel rotorseitig auftritt, berücksich­ tigt.

Fig. 3a zeigt einen Schnitt entlang der Trennlinie D-D der Fig. 1 durch einen Schaufelblatthohlraum 23 mit unter Spielpassung einge­ paßter, schwingfähiger Metallzunge 9 im Bereich des Schaufelkopfes 6 einer Leitschaufel 20 (Fig. 1). Diese Metallzunge 9 dient als Quer­ massenstromerzeuger für das Schaufelblatt 22 und wird von der Vibra­ tion des Schaufelblattes 22 beim Betrieb der Gasturbine zu Schwingun­ gen angeregt. Der Quermassenstrom besteht in diesem Beispiel aus Verbrennungsgasen, die die Turbinenschaufel 1 umströmen. Dabei werden sie einerseits in Pfeilrichtung A durch die Bewegung der Metallzunge 9 beim Verbiegen in Richtung auf eine Referenzwand 10 zu durch die Öffnungen 3 auf der Saugseite 34 des Schaufelblattes 22 angesaugt und andererseits in Richtung B beim Rückschwingen der Metallzunge 9 aus der Öffnung 3 ausgeblasen.

Die Schwingung der Metallzunge 9 und damit auch die Vibration der Schaufeln wird einerseits durch Spalte aufgrund einer Spielpassung zwischen drei Seitenwänden 11 eines abgegrenzten Hohlraums 13 und der Metallzunge 9, die als Drosselspalten wirken, und andererseits durch mögliche zusätzliche Drosselbohrungen 14 in der Metallzunge 9 ge­ dämpft. Hauptsächlich wirkt sich das periodische Ansaugen (in Pfeil­ richtung A) und Ausblasen (in Pfeilrichtung B) des Gases durch die Öffnungen 3 hindurch dämpfend auf die Schwingung der Metallzunge 9 und damit auf die Vibration der Schaufeln aus. Dadurch können vor­ teilhaft Eigenschwingungen der Schaufeln, die die Stabilität einer Schaufel gefährden, strömungsmechanisch gedämpft und die Schaufeln gewichtssparender ausgelegt werden.

Die Metallzunge 9 wirkt in diesem Beispiel gleichzeitig wie ein Hilfsmaßentschwinger und ist hierzu einseitig in der Schau­ felblattspitze 6 eingespannt oder im Schaufelblattspitzenbereich in­ nerhalb des Schaufelblattes mittels elektrochemischer Bearbeitung eingearbeitet. Die Gassäule im abgegrenzten Hohlraum 13 zwischen der Metallzunge 9 und der Referenzwand 10 kann unter Betriebsbe­ dingungen zusätzlich periodisch durch die Drosselspalten und Drossel­ bohrungen 14 in den Pfeilrichtungen C verdrängt werden. Die dazu erforderliche Energie wird ebenso der anregenden Vibration der Schau­ felblattspitze 6 entzogen, wodurch die Metallzunge 9 nicht nur als Erzeuger für einen Quermassenstrom auf der Schaufelblattoberfläche, sondern gleichzeitig als Tilger für die Vibrationen der Schau­ felblattspitze 6 dient.

Fig. 3b zeigt eine Anordnung eines im Innern des Schaufelblattes 22 ausgebildeten Schaufelblatthohlraum 13 mit Metallzunge 9. Die Metall­ zunge 9 teilt den Hohlraum 13 in zwei Volumina. Jede der Volumina steht mit mindestens jeweils einer Öffnung 3 oder 4 über mindestens jeweils eine Verbindungsbohrung 73 oder 74 in Wirkverbindung, so daß bei Vibrationen der Schaufel durch die Schwingungen der Metallzunge gasförmige Quermassenströme über die Verbindungsbohrungen 73 und 74 aus den Öffnungen 3 und 4 in Richtung B ausgeblasen und in Richtung A angesaugt werden.

Fig. 4a zeigt eine Anordnung eines im Innern eines Schaufelblattes 22 ausgebildeten ersten Helmholtz-Resonators 40. Dieser Resonator weist einen Hohlraum 41 als Kammervolumen V und eine Bohrung 42 als Res­ onatorhals der Länge 1 und der Querschnittsfläche S mit dem Radius R auf, die den Hohlraum 41 mit der Öffnung 3 verbindet. Der Querschnitt S muß nicht zwingend als Kreisfläche einer Bohrung ausgebildet sein, sondern kann als Langloch oder Schlitz gestaltet werden. Die Quer­ schnittsfläche S kann auch auf mehrere Bohrungen verteilt werden, wenn festigkeitsmechanische oder aerodynamische Erfordernisse zu berücksichtigen sind. In diesem Beispiel ist bei einer Turbinenschau­ fel mit einer saugseitigen Schaufelblattbogenlänge von 40 mm die Länge des Resonatorhalses l 3 mm, sein Radius R 0,25 mm und das Kammervolumen pro Resonatorhals V 10 mm³.

Durch die auf der Schaufeloberfläche der Saugseite auftretenden Druckschwankungen in einer Turbine wird die Gassäule im Resonatorhals in Zusammenwirken mit dem Kammervolumen V zu Schwingungen angeregt, so daß ein Quermassenstrom periodisch aus der Öffnung 3 in Pfeilrich­ tung B austritt und in Pfeilrichtung A angesaugt wird. Die Druck­ schwankungen im akustischen Frequenzbereich werden damit für die mit obiger Formel berechenbare Frequenz gedämpft. Die Energie, die in den störenden Druckschwankungen steckt, wird somit nutzbringend zur Ver­ besserung der aerodynamischen Wirkung des Schaufelprofils einer bei­ spielsweise Verdichterschaufel teilweise verbraucht, was teilweise auch den Lärmpegel und die Schwingungsanregungen der Schaufeln ver­ mindert.

Fig. 4a zeigt darüberhinaus in Schaufelblatthöhe gestaffelt ange­ ordnete, weitere Hohlräume 43 und 44, die mit dem Hohlraum 41 über die inneren Öffnungen 45 und 46 in den Seitenwänden 47 und 48 mit dem Kammervolumen des ersten Helmholtz-Resonators kommunizieren. Diese Öffnungen sind in diesem Beispiel als Langlöcher oder Schlitze ausge­ führt und können auch als Bohrungen ausgebildet werden. Die Summe der Bohrungsflächen bildet dann die Querschnittsfläche S eines Res­ onatorhalses. Damit wird vorteilhaft erreicht, daß auch tiefere Schallfrequenzen mit dieser gestaffelten Anordnung von Helmholtz-Res­ onatorer gedämpft werden können.

Fig. 4b zeigt eine Anordnung mit mehreren in Schaufelblattiefe ge­ staffelten Kammervolumina mit den Hohlräumen 50, 51 und 52. Der Hohl­ raum 51 ist über die Öffnungen 53, die als Bohrungen ausgebildet sind, mit dem Hohlraum 50 verbunden und der Hohlraum 52 ist über die Öffnungen 54, die von eingesetzten Röhrchen gebildet werden, mit dem Hohlraum 51 gekoppelt. Die Röhrchen oder Bohrungen fungieren als Resonatorhälse für die gestaffelt angeordneten Kammervolumina in Form der Hohlräume 51 und 52. Aufgrund der Staffelung der Hohlräume 50, 51 und 52 in Richtung der Profiltiefe können mehrere Res­ onatorhälse 55 bis 60 an das am weitesten stromab liegende Kammervo­ lumen des Hohlraums 50 angeschlossen werden. Dadurch werden vorteil­ haft mehrere Öffnungen 3 bis 8 mit Quermassenströmen, die in Pfeil­ richtung B ausgeblasen und in Pfeilrichtung A angesogen werden, be­ aufschlagt. Öffnungen 3 können über der gesamten Schaufelblatthöhe in den erfindungsgemäßen Positionen, wie sie Fig. 2 zeigt, angeordnet sein. Der Querschnitt S einer Öffnung, die mit einem Kammervolumen kommuniziert, verteilt sich dabei auf mehrere Resonatorhälse 55 bis 60, so daß der Radius einer Öffnung geringer wird, was festigkeits­ mechanische Vorteile ergeben kann.

Claims (20)

1. Schaufelblatt für eine Gasturbine mit wenigstens einer saugsei­ tigen Öffnung zur Beeinflussung der Strömung mittels Querströmung, wobei mit der Öffnung kommunizierende Mittel innerhalb des Schau­ felblattes zur Erzeugung von Druckschwankungen in einem Schau­ felhohlraum vorgesehen sind, mit denen ein Gasstrom bei statio­ närer Betriebsbedingung durch die Öffnung pulsierend eingesaugt und ausgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Öffnung (3) auf der Saugseite (4) in der stromabwärts gelegenen Hälfte des Schaufelblattes (20, 21) angeordnet ist und diese Öff­ nung (3) im Bereich der saugseitigen Schaufelblattbogenlänge zwi­ schen 20% der Bogenlänge stromauf des Ortes des Maximums (M) des Dissipationskoeffizienten bei instationärer Blase und 10% der Bogenlänge stromab des Ortes des Maximums (M) des Dissipationsko­ effizienten angeordnet ist.

2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens eine Öffnung (3) im rotorseitigen Bereich der Laufrad (21) und/oder Leitkranzschaufelblätter (20) eines Lauf- und/oder Leit­ gitters angeordnet ist.

3. Schaufelblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (3) im rotorseitigen Bereich von Lauf- (21) und/oder Leitradschaufelblättern (20) in geringerem Abstand als im gehäuseseitigen Bereich der Schaufelblätter angeordnet sind.

4. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die pulsierenden Druckschwankungen stochastisch oder periodisch sind.

5. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand der Öffnungen (3) in Richtung der Schaufelblatthöhe 1 bis 20% der Schaufelblatthöhe ist.

6. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (3) in gleicher Schau­ felblatthöhe in einem Abstand von 1 bis 10% der saugseitigen Schaufelblattlänge (25) angeordnet sind.

7. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnung (3) im Bereich der saugseitigen Schaufelblattbogenlänge (25) zwischen 65% und 95% stromab der Vorderkante (24) des Schaufelblattes (20, 21) angeordnet ist.

8. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens eine Öffnung (3) am Ort des Maximums (M) des Dissipationskoeffizienten angeordnet ist.

9. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (3) vom rotorseitigen Ende zum gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes in geschwungener Linie mit gleichmäßigem Abstand zum Ort des Maximums (M) des Dissipationskoeffizienten in Richtung des Schaufelblattbogens (25) angeordnet sind.

10. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ gekennzeichnet, daß mehrere Öffnungen (3) in geschwungener Linie vom rotorseitigen Ende zum gehäuseseitigen Ende des Schaufelblattes am Ort des Maximums (M) des Dissipationskoeffi­ zienten angeordnet sind.

11. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Mittel (9, 41, 42) eine in den Schaufelhohl­ raum (23) mit Spielpassung eingepaßte schwingfähige Metallzunge (9) vorgesehen ist, die die Gassäule des Hohlraums (23) der Schaufel mit instationären Druckschwankungen beaufschlagt.

12. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schaufelblatt (20, 21) einen durch Seitenwände (11) und mindestens eine Referenzwand (10) abgegrenzten Hohl­ raum (13) mit einer schwingfähigen parallel zur Referenzwand (10) mit Spielpassung zu drei Seitenwänden (11) eingepaßten Metallzunge (9) aufweist, die zur Erzeugung eines instationären Gasstroms durch die Öffnungen (3) hindurch einseitig fest in einer vierten Seitenwand des Schaufelblatthohlraums (13) einge­ spannt ist.

13. Schaufelblatt nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallzunge (9) Drosselbohrungen (14) aufweist.

14. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallzunge (9) als Hilfsmassenschwinger ausgebildet ist.

15. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Mittel (9, 41, 42) innerhalb des Schaufel­ blattes ein Helmholtz-Resonator (41, 42) angeordnet ist.

16. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelhohl­ raum (23) als Kammervolumen (41) mit Resonatorhals (42) eines Helmholtz-Resonators ausgebildet ist, wobei die Öffnung (3) den Abschluß des Resonatorhalses (42) bildet.

17. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaufelblatthohlraum (23) mehrere durch innere Öffnungen (45) gekoppelte Hohlräume (41, 43, 44, 50, 51, 52) aufweist, die für mehrere Resonanzfrequenzen (f) ausgelegt sind.

18. Schaufelblatt nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelten Hohlräume (50, 51, 52) in der Profiltiefe gestaffelt angeordnet sind.

19. Schaufelblatt nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelten Hohlräume in Richtung der Schaufelblatt­ höhe (41, 43, 44) gestaffelt angeordnet sind.

20. Schaufelblatt nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit einem Kammervolumen (50) mehr als eine Öffnung (55 bis 60) auf der Saugseite des Schaufelblattes (20, 21) kommunizieren.