DE4344189C1

DE4344189C1 - Axial-Schaufelgitter mit gepfeilten Schaufelvorderkanten

Info

Publication number: DE4344189C1
Application number: DE19934344189
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Niehus; Norbert Huebner
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1993-12-23
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: EP0661413B1; EP0661413A1; ES2123700T3

Description

Die Erfindung betrifft ein Axial-Schaufelgitter nach dem Ober begriff des Patentanspruches 1.

Zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse in Schaufelgittern von Axial-Strömungsmaschinen ist es aus der EP 04 25 889 A1 bekannt, die Schaufelvorderkante der Laufschaufeln im Bereich der Blatt spitze gegen die Strömungsrichtung gegenüber einem Vorderkantenver lauf im mittleren Schaufelblattbereich zu neigen und dieser Neigung eine Neigung der Blattspitze in Rotationsrichtung des Laufschaufel gitters zu überlagern. Dieser Schaufelvorderkantenverlauf soll zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Laufschaufelgitters führen, wobei folgender Effekt zu Nutze gemacht werden soll:

Die Neigung der Schaufelvorderkanten gegen die Strömungsrichtung führt zu einem ebenfalls gegen die Strömungsrichtung geneigten Ver lauf der Isobaren. Hieraus ergibt sich ein Anstieg des statischen Druckes nach radial außen, wodurch die unter dem Einfluß der Zentri fugalkraft stehende Grenzschicht der Rotorschaufel stromabwärts ab gelenkt wird. Dadurch kann ein blattspitzennahes Ablösen der Grenz schicht vermieden werden.

Aus der DE 34 44 810 A1 ist eine Gasturbinenschaufel bekannt, bei der im Bereich der Schau felblattspitze eine gegen die Strömungsrichtung gepfeilte Schaufelvorderkante vorgesehen ist. Diese Gestaltung erfolgt nach der Lehre der genannten Druckschrift zur Beeinflussung der Biegebeanspruchung einer Schaufel unter Fliehkraft.

Aus der DE 35 30 769 A1 sind Turboschaufeln bekannt, für die Auslegungskriterien genannt werden, nach denen vorzugsweise die Schaufelhinterkante exakt oder zumindest im wesentli chen orthogonal zu den Strömungskanalbegrenzungen ausgerichtet sein sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine für Leit- und Laufschaufelgitter geeignete Schaufelgestaltung zur Verbesserung des Stufenwirkungsgrades anzugeben, wobei insbeson dere in den vom Gehäuseschnitt oder vom Nabenschnitt ausgehenden Randbereichen die Ausbildung von Hufeisenwirbeln verhindert werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Gestaltung hat den Vorteil, daß durch den ge radlinigen, gepfeilten Verlauf zusätzlich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Effekt, der Beeinflussung der Sekundärströmung bei Laufschaufelgittern, der radiale Druckgradient über den Schaufeln im begrenzungsnahen Bereich beeinflußbar ist, so daß die unerwünschte Ausbildung von Hufeisenwirbeln an der Seitenwand zumindest vermindert wird. Da die hierdurch erzielbare Verbesserung des Stufenwirkungs grades nicht alleine auf der Beeinflussung der bei Rotorschaufeln von der Zentrifugalkraft geprägten Sekundärströmung beruht, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann die Erfindung bei Lauf- und Leitschaufelgittern von Verdichter- und Turbinenbeschaufelungen zu Nutze gemacht werden. Als Seitenwand wird sowohl die nabenseitige, also radial innere, als auch die gehäuseseitige, also radial äußere Begrenzung des Ringkanals verstanden, wobei diese als in Umfangs- und axiale Richtung ausgebildete Schaufelplattform bzw. als Deckband oder Maschinengehäuse ausgeführt sein kann. Vorzugsweise wird die erfin dungsgemäße Gestaltung der Schaufelgitter an den Schaufeln sowohl nabenseitig an den Schaufelfüßen als auch gehäuseseitig an den Schau felblattspitzen ausgeführt sein. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 13.

Strömungsgünstige positive Pfeilungswinkel δG und δN zwischen der Schaufelvorderkante und einem Lot auf die radial innere bzw. radial äußere Begrenzung des Ringkanals betragen zwischen 5° und 45°. Negative Pfeilungswinkel δG und δN zwischen -10° und 0° erlauben auch unter konstruktiv- schwierigen Bedingungen die mit der Pfeilung verbundenen Vorteile.

Im Anschluß an den geradlinigen Verlauf der Schaufelvorderkanten weisen diese in einem Übergangbereich zur Schaufelmitte hin einen gekrümmten Verlauf nach einem Polynom zweiter oder höherer Ordnung auf. Durch Variation der Krümmung kann wiederum der radiale Druck gradient strömungsgünstig manipuliert werden. Darüberhinaus kann bei Rotorschaufeln, die einer hohen Fliehkraftbeanspruchung unterliegen, der Übergangsbereich mit einer stetigen Krümmung spannungsarm ge staltet werden. In einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich der gekrümmte Abschnitt im Anschluß an den geradlinigen Abschnitt bis zu einem relativen Abstand von 25% der zugehörigen Schaufelhöhe ausge hend von der jeweiligen Begrenzung ins Schaufelinnere.

Im Falle einer Ausführung der Laufschaufel als Hohlschaufel sollen zur Vermeidung einer hohen Biegemomentbeanspruchung der unter Flieh krafteinfluß stehenden Rotorbeschaufelung von Laufschaufelgittern die Rotorschaufeln Hohlräume aufweisen, die sich zumindest über einen Teil der Schaufellänge erstrecken, wobei die Ausdehnung der Hohlräume derart über die Schaufelprofiltiefe verteilt sind, daß die Schwerpunkte der Profilschnitte auf einer gemeinsamen Ebene liegen. Bei Laufschaufelgittern von Turbinen können die Hohlräume als Kühlka näle ausgebildet sein.

Für massiv ausgeführte Laufschaufeln kann durch axialen Versatz der einzelnen Profilschnitte günstiger Einfluß auf die Biegemomentbean spruchung des Schaufelblattes ausgeübt werden, wobei der Versatz derart gewählt werden kann, daß der Schaufelschwerpunkt in der Schwerelinie der Scheibe zum Liegen kommt.

Bei der Ausführung des Laufschaufelgitters mit einer die Rotorschau feln aufnehmenden Scheibe liegt der Scheibenschwerpunkt ebenfalls auf der gemeinsamen Ebene. Festigkeitsmindernde Spannungen im Schau felfußbereich werden somit vermieden. Das gleiche gilt für Laufschau felgitter mit einem Deckband, welches das Schaufelgitter kanalkonzen trisch umgibt und mit den Schaufelspitzen verbunden ist, bzw. dort angebracht ist. Dabei sind die Schwerpunkte, der Schaufeln eines sol chen Schaufelgitters und der Schwerpunkt des Deckbandes derart axial vom Schwerpunkt des Schaufelgitters beabstandet, daß der Schwerpunkt der die Rotorschaufeln aufnehmenden Scheibe auf dem Schwerpunkt des Schaufelgitters liegt. Hierdurch ergibt sich wiederum eine biegespan nungsarme Gestaltung im Bereich der Schaufelfüße.

Einen dem Verlauf der Schaufelvorderkanten ähnlichen Verlauf der Schaufelhinterkanten ergibt sich bei konstanter oder bei gleich mäßiger Zu- bzw. Abnahme der Schaufelblattiefe über die Schaufel blattlänge.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch die Niederdruckturbine eines Strahltriebwerkes mit gekrümmten Turbinenschaufeln,

Fig. 1b einen Längsschnitt durch die Niederdruckturbine eines Strahltriebwerkes mit geradlinig verlaufenden Turbinen schaufeln,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines gekrümmten Schaufel blattes gemäß Fig. 1a,

Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt eines Laufschaufelgitters mit Scheibe und Deckband,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Skelettfläche einer Laufschaufel mit hohlem Schaufelblatt und

Fig. 5 eine Ansicht eines Laufschaufelblattes mit Krümmung in Umfangsrichtung.

Für Richtungs- und Bezugsangaben wird ein in der Strömungsmechanik übliches Axial-Umfangs-Radial-Koordinatensystem z-ϕ-r verwendet. Die Fig. 1a bis 4b zeigen Darstellungen in der z-r-Ebene. Die zu einem Schaufelpunkt zugehörige Schaufelhöhe ergibt sich durch den zur Maschinenlängsachse senkrechten, durch den Schaufelpunkt gehenden Abstand zwischen der radial inneren Begrenzung und der radial äußeren Seitenwand. Die in Fig. 1a schematisch dargestellte obere Hälfte einer zweistufigen Axialtur bine weist paarweise axial hintereinander angeordnete Leit- und Lauf schaufelgitter 2 bzw. 3 auf, die mit konkav entgegen der Strömungs richtung S gekrümmten Leit- bzw. Laufschaufeln 4, 5 bestückt sind. Die Schaufelblätter 6 der Leit- und Laufschaufeln 4, 5 erstrecken sich radial in einem zur Maschinenlängsachse A der Axialturbine 1 konzen trisch angeordneten Ringkanal 7. Die achskonzentrisch verlaufenden naben- und gehäuseseitigen Seitenwände bilden die radial innere und radial äußere Kanalbegrenzung 8 bzw. 9 des Ringkanals 7 und geben diesem einen bezüglich der Strömungsrichtung S divergenten Verlauf.

Die Laufschaufelgitter 3 sind in Scheibenbauweise ausgeführt, d. h., die Laufschaufeln 5 sind jeweils gitterweise an einer Scheibe 10 angebracht.

Fig. 1b zeigt eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Axial turbine 1′ deren Leit- und Laufschaufelgitter 2′ bzw. 3′ mit un gekrümmten Leit- und Laufschaufeln 4′ bzw. 5′ bestückt ist.

Fig. 2 zeigt die Auffädelung einzelner Profilschnitte P₁, P₂, P₃ und P₄ eines Schaufelblattes 6 der Axialturbine 1. Unter Auffädelung ist die Positionierung einzelner Profilschnitte P_n eines Schaufelblattes 6 bezüglich einer senkrecht auf der Maschinenlängsachse A stehenden Referenzlinie, Fädelachse F genannt, die bei Laufschaufeln 5 im all gemeinen durch den Schaufelschwerpunkt SP_L läuft, zur Profilgebung eines Schaufelblattes 6 zu verstehen. Die Profilschnitte P_n fallen in der z-r-Ebene definitionsgemäß mit Linien gleicher relativer Schau felhöhe h zusammen. Die zugehörige Schaufelhöhe h wiederum ergibt sich aus dem senkrecht zur Maschinenlängsachse A zu messenden Abstand zwischen der inneren und äußeren Kanalbegrenzung 8 bzw. 9. Die in Fig. 2 erkenntlichen Profilschnitte P₁, P₂, P₃ und P₄ sind bei 5-, 25-, 75- bzw. 95%iger relativer Schaufelhöhe gezogen und trennen Bereiche des Schaufelblattes 6 mit unterschiedlicher Formgebung der Schaufelvorderkante 11 ab. In den Bereichen der Randschnitte P_G und P_N bis zum Profilschnitt P₁ bzw. P₄ weist die Schaufelvorderkante 11 einen geradlinig verlaufenden Abschnitt B_G bzw. B_N in der r-z-Ebene auf. Der gegenüber einer Lotsrechten L auf die jeweilige Kanalbegren zung 8, 9 zu messende Pfeilungswinkel δG bzw. δN beträgt innerhalb der Abschnitte B_G und B_N gehäuseseitig 25° und nabenseitig 45°. Im Anschluß an die gradlinig verlaufenden Abschnitte festgelegten Ober gangsbereiche zwischen den Profilschnitten P₃ und P₄ sowie P₁ und P₂ weist die Schaufelvorderkante 11 jeweils einen gekrümmten ver laufenden Abschnitt Ü_G bzw. Ü_N auf, der einem Polynom zweiter oder höherer Ordnung entspricht. Im Mittenbereich zwischen den Pro filschnitten P₃ und P₂ ist die Schaufelkante 11 in der r-z-Ebene wiederum geradlinig ausgeführt. Zur Vermeidung unerwünschter aerody namischer Effekte und von Spannungskonzentrationen sind die Übergänge von gekrümmten zum geradlinigen Verlauf in der Schaufelvorderkante 11 stetig ausgebildet. Der Verlauf der Schaufelhinterkante 12 ergibt sich durch Vorgabe der Schaufelblattiefe t(h), die hier mit zu nehmender Kanalhöhe h linear abnimmt.

Das in der Fig. 3 in der r-z-Ebene dargestellte Laufschaufelgitter 3 ist in Scheibenbauweise ausgeführt, wobei die Laufschaufeln 5 über ihre angeformten Schaufelfüße 13 formschlüssig in gleichmäßig in Umfangsrichtung ϕ voneinander beabstandeten Scheibennuten 14 der Scheibe 10 angebracht sind.

Zur Vermeidung unnötiger Biegespannungen während des Betriebes in der Scheibe 10 und in den Laufschaufeln 5 des Laufschaufelgitters 3 fal len die auf der Maschinenlängsachse A liegenden Schwerpunkte SP_G und SP_S des Laufschaufelgitters 3 bzw. der Scheibe 10 zusammen. In die sem Sinne liegen die Schwerpunkte SP_L der Laufschaufeln 5 durch ent sprechende Auffädelung der Profilschnitte P auf einer gemeinsamen Ebene E, die senkrecht zur Maschinenachse A steht und durch den ge meinsamen Schwerpunkt SPS und SPG der Scheibe 10 bzw. des Laufschau felgitters 3 verläuft. Das Laufschaufelgitter 3 ist zur Vermeidung von Druckverlusten und zur Verbesserung der Strömungsqualität mit einem in Umfangsrichtung ϕ segmentierten Deckband 15 versehen, welches die Laufschaufeln am radial äußeren Ende umfaßt. Durch Ba lancieren der Deckbandsegmente in z-Richtung liegen die Schwerpunkte SP_D der Deckbandsegmente 15 ebenfalls auf der Ebene E, wodurch Biege spannungen in den Laufschaufeln 5 vermieden oder reduziert werden.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführung einer Laufschaufel 5 zur Vermeidung von Biegespannungen in der Laufschaufel 5 aufgrund unba lancierter Schwerpunktslagen SP_P der Profilschnitte P_n. Hierzu weist das Innere des Schaufelblattes 6 einen sich über die Kanalhöhe h hinweg erstreckenden Hohlraum 16 auf, dessen Erstreckung über die Schaufelblattiefe t(h) derart gestaltet ist, daß die Schwerpunkte SP_P der Profilschnitte P_n in einer gemeinsamen r-ϕ-Ebene liegen.

Fig. 5 zeigt ein zusätzlich bezüglich der Schaufelsaugseite 18 kon kav, in Umfangsrichtung gekrümmtes Schaufelblatt 6. Durch diese zu sätzliche Krümmung läßt sich vorteilhaft Einfluß auf den radialen Druckgradienten in der Abströmebene einer Leit- oder Laufschaufel 4, 5 nehmen. Aufgrund der Umfangsbiegung werden die begrenzungsnahen Pro filschnitte aerodynamisch entlastet. Bei gleichzeitiger höheren Bela stung des Mittenbereiches der Schaufel 4, 5, wodurch insgesamt für die Schaufel 4, 5 ein günstigerer Wirkungsgrad erzielt werden kann.

Claims

1. Schaufelgitter für Axial-Strömungsmaschinen in einem Ringkanal, wobei die Schaufelvorderkanten der Schaufeln des im Ringkanal angeordneten Schau felgitters im Bereich der Schaufelblattspitzen und/oder im Bereich des Naben schnittes P_N der Schaufelblätter in axialer Richtung gegen die Strömungsrich tung gepfeilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelvorderkanten in mindestens einem der vom Gehäuseschnitt P_G oder vom Nabenschnitt P_N aus gehenden Randbereiche B_G bzw. B_N einen geradlinig verlaufenden Abschnitt aufweisen, wobei diese Randbereiche (B_G, B_N) eine radiale Erstreckung von bis zu 10% der zugehörigen Schaufelhöhe (h) aufweisen und sich an die ge radlinig verlaufenden Abschnitte zur Schaufelmitte hin jeweils ein gekrümmt verlaufender Abschnitt (Ü_G bzw. Ü_N) anschließt.

2. Schaufelgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß positive Pfei lungswinkel (δ_G bzw. δ_N) jeweils gemessen in einem Längsschnitt zwischen einem geradlinig verlaufenden Abschnitt (B_G bzw. B_N) einer Schaufelvorder kante (11) und einer Lotrechten (L) auf eine radial äußere bzw. radial innere Begrenzung (9, 8) des Ringkanals (7) im Schnittpunkt mit der Schaufelvor derkante (11) zwischen 5° und 45° betragen.

3. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Verlauf der Schaufelvorderkanten (11) in den Übergangsbereichen Polynomen zweiter oder höherer Ordnung entsprechen.

4. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelvorderkanten (11) im Anschluß an die Übergangsbereiche im Mittenbereich der Schaufelblätter (6) einen geradlinig verlaufenden Abschnitt (M) aufweisen.

5. Schaufelgitter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmt verlaufenden Abschnitte (Ü_G bzw. Ü_N) bis zu 50% der zuge hörigen Schaufelhöhe einnehmen.

6. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter (6) zusätzlich zur Pfeilung in Umfangsrichtung gekrümmt sind.

7. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelgitter ein Laufschaufelgitter (3) mit Laufschaufeln (5) ist.

8. Schaufelgitter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln (5) Hohlräume (16) aufweisen, die sich zu mindest über einen Teil der Schaufellänge erstrecken, wobei die Ausdehnung der Hohlräume (16) derart über die Schaufelprofiltiefe (t) verteilt sind, daß die Schwerpunkte der Profilschnitte (P_n) auf einer gemeinsamen Ebene (E) senkrecht zur Maschinenlängsachse (A) liegen.

9. Schaufelgitter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (16) Kühlkanäle sind.

10. Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufschaufelgitter (3) eine die Laufschau feln (5) aufnehmende Scheibe (10) aufweist, deren Schwerpunkt (SP_S) auf der gemeinsamen Ebene (E) liegt.

11. Schaufelgitter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufschaufelgitter (3) ein Deckband (15) und eine, die Laufschaufeln (5) aufnehmende Scheibe (10) aufweist, wobei die Schwerpunkte (SP_L) der Laufschaufeln (5) und der Schwer punkte (SP_D) des Deckbandes (15) derart axial vom Schwerpunkt (SP_G) des Laufschaufelgitters (3) beabstandet sind, daß der Schwerpunkt (SP_S) der Scheibe (10) auf dem Schwerpunkt (SP_G) des Laufschaufelgitters (3) liegt.

12. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblattiefe t(h) zwischen Schaufelvorder- (11) und -hinterkante (12) der Laufschaufel (5) eines Schaufelgitters über die Schaufelhöhe (h) konstant ist oder linear verläuft.

13. Schaufelgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verlauf der Schaufelvorder- (11) und/oder -hinterkante (12) der Schaufel (5, 6) im Bereich der randnahen Profilschnitte (P_N bzw. P_G) ein Ausrundungsradius (R_N bzw. R_G) überlagert ist.