DE60019513T2

DE60019513T2 - Turbinenschaufel mit verbessertem Profil

Info

Publication number: DE60019513T2
Application number: DE60019513T
Authority: DE
Inventors: Erwan Daniel Botrel; Christophe Germain Brisset; Bertrand Petot
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2020-08-18
Also published as: FR2797658B1; US6428281B1; JP2001082101A; EP1077309B1; FR2797658A1; EP1077309A1; DE60019513D1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel mit verbessertem Profil.
Eine klassische Turbinenschaufel umfasst, wie in 1 dargestellt, ein Schaufelblatt 1, das in einer ringförmigen Bahn 2 bewegbar ist, eine Plattform 3, die die Bahn 2 innen abgrenzt, und ein Schaufelfuß 4, der sich in einer Nut einer zum Rotor gehörigen Nabe 5 in Eingriff befindet. Das Schaufelblatt 1, das den wesentlichen Teil der Schaufel darstellt, kann in aufeinander liegende Sektoren 6 zerlegt werden, die sich in immer größeren Abständen von der Drehachse der Maschine befinden und sich gekrümmt zwischen einer Vorderkante 7 und einer Hinterkante 8 erstrecken, bezogen auf die Strömung der Gase, die in der Strömungsbahn 2 zirkulieren. Die Oberflächen des Schaufelblatts 1 bilden eine Druckseite 9 und eine Saugseite 10, die sich jeweils zwischen der Vorder- und der Hinterkante 7 und 8 erstrecken, wie in 2 dargestellt. Die Gase der Maschine blasen auf die Druckseite 9 und bewirken eine Drehbewegung der Nabe 5 und der an dieser angebrachten Schaufeln, die in den Figuren nach rechts gerichtet ist.
Gewöhnlich variiert das Profil der Schaufelblätter 1, wie in 3 dargestellt, wobei die Sektoren 6 zur Plattform 3 hin länger und weniger stark gekrümmt sind, wovon man annimmt, dass es eine günstige Strömung und einen zufriedenstellenden mechanischen Widerstand ergibt.
Ausgangspunkt der Erfindung ist jedenfalls der Wunsch, den Leckstrom zwischen dem Kopf 11 des Schaufelblatts 1 und dem Gehäuse 12 um die Strömungsbahn 2, zwischen denen ein Spiel bestehen muss, zu verringern. Diese Leckströme erstrecken sich von der Druckseite 9 zu Saugseite 10 gemäß den Pfeilen 13 in 2. Sie erzeugen hinter der Schaufel einen Wirbel, der die Strömung der Gase stört.
Die festgehaltene Lösung besteht darin, die Sektoren 6, die dem Kopf 11 der Schaufel am nächsten sind, zu verformen, um die Leckströme an dieser Stelle zu verringern. In einigen Patentschriften werden andere Verformungen erwähnt, denen dieser Teil der Schaufel im Vergleich zu dem typischen Profil von 3 unterzogen werden kann: So wird in der internationalen Anmeldung WO 96 14494 eine Schaufel beschrieben, deren Blatt nahe beim Kopf zur Saugseite hin gekrümmt ist, was die Saugseite überhängend macht. Diese Anordnung hat den Zweck, die auf die Saugseite geblasenen Gase radial zur Drehachse hin zurückzudrängen, um zu verhindern, dass sie den Kopf des Schaufelblatts erreichen und auf die andere Seite der Schaufel, zur Druckseite, zu gelangen, indem sie durch das an das Gehäuse 12 angrenzende Spiel strömen. Der Druck auf der Saugseite wird in der Nähe des Kopfs 11 stärker, wodurch der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten des Kopfs 11 sowie die Lecks über diesen von der Druckseite zur Saugseite geringer werden. Wenn man auch hier beabsichtigt, diese Leckströme zu reduzieren, wird das auf andere Weise und auch unter anderen Bedingungen getan, indem man die Strömung an der Druckseite der Schaufel in der Nähe des Kopfs 11 in tangentialer Richtung umlenkt oder unterstützt, was sie aus der radialen Richtung ablenkt, in der sie entweichen würde.
Die hier in Betracht gezogenen Maßnahmen bestehen darin, die Hinterkante dergestalt zu krümmen, dass die Sektoren des Schaufelblatts, je näher sie zum Kopfende gelegen sind, um so offener ausgeführt sind, d. h. im Bereich der Hinterkante in der Richtung der Strömung gerichtet sind, und damit die Strömung an dieser Stelle weniger umlenken.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Figuren näher beschrieben, wobei
1, 2 und 3, die bereits beschrieben wurden, verschiedene Ansichten einer herkömmlichen Schaufel zeigen,
4 eine Ansicht der erfindungsgemäßen Schaufel zeigt,
5 in einer analogen Darstellung zu der von 2 die Folgen der Anwendung der Erfindung auf die Strömung darstellt,
6 und 7 den Verlauf der Drücke vor den Schaufeln von 3 bzw. 4 zeigen.
Die Bezugszeichen in den 1 bis 3, erhöht um 100, bezeichnen entsprechende Teile der Erfindung.
Die mit dieser Erfindung vorgeschlagene Schaufel, die im Prinzip in 4 dargestellt ist, unterscheidet sich von der vorherigen im Bereich des Kopfs 111: Die Hinterkante 108 ist an dieser Stelle zur Saugseite 110 hin gekrümmt, als sei die Ecke des Schaufelblatts 1 nach außen verdreht, während sie im Wesentlichen geradlinig oder im Bereich der Plattform 103 im Wesentlichen geradlinig bleiben kann, wie bei dem vorherigen Konzept. Daraus ergibt sich, dass die Sektoren 106, die dem Kopf 111 am nächsten sind, sich an der Hinterkante 108 weiter öffnen als die anderen Sektoren 106, das bedeutet, dass sie ein geringeres Hindernis für das freie Strömen der Gase vor der Schaufel bilden, da sie weniger gebogen sind als bei der bisherigen Lösung, und dass sie ein Profil haben, das sich an der Hinterkante 108 im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckt.
5 zeigt, dass die Gasmenge, die über den Kopf 11 gelangt und entsprechend den Pfeilen 13 zur Saugseite 110 hin umgelenkt wird, in diesem Fall geringer ist, wobei ein größerer Teil des Stroms an der Schaufel entlang bis zur Hinterkante 108 gelangt. Um die Gesamtfläche aerodynamischer Belastung oder Tragweite der Schaufel wieder herzustellen, kann in Betracht gezogen werden, die in der Nähe der Plattform 3 befindlichen und mittleren Sektoren 6 etwas stärker zu krümmen als bei dem herkömmlichen Konzept, das heißt sie wieder zu schließen.
Eine rigorosere Definition der Schaufelform kann folgendermaßen lauten: Auf einer Mittellinie 120 des Schaufelquerschnitts existiert ein Punkt 121, der durch eine gekrümmte Abszisse von der Vorderkante 107 ausgehend definiert ist, und hinter dem die Schaufel-Sektoren eine immer geringer werdende Krümmung aufweisen oder immer gerader werden, womit sie sich von dem Konzept der Anmeldung WO 96 14494 unterscheiden, in dem die Verformung der Schaufel nicht die Form der Sektoren betrifft, die gleich bleibt, insbesondere im Bereich der Hinterkante. Ein vom Kopf 111 weit entfernt liegender Schaufelsektor trägt die Bezugszahl 122.
In den 6 und 7 sind die hinter den Schaufeln erzeugten Wirbel dargestellt: Einer davon, hier Spiel-Wirbel genannt, hat in den 6 und 7 die Bezugszahl 14 bzw. 114, wobei die Schaufelblätter, die die Bezugszahl 1 bzw. 101 tragen, von hinten in Richtung ihrer Hinterkante 8 bzw. 108 gesehen werden. Es ist zu sehen, dass der Wirbel 114 eine geringere Oberfläche hat als der Wirbel 14; auch der dort erzeugte Unterdruck ist weniger stark: der Gasstrom wird hinter der Schaufel gleichmäßiger. Dies ist auf die Verringerung der Lecks zurückzuführen, doch die Art und Weise, wie die Lecks mit dieser Erfindung verringert werden, hat auch noch eine neue und sehr günstige Auswirkung auf die Gleichmäßigkeit des Gasstroms und der Leistung der Maschine.
Das veränderte Profil der Hinterkante 108 wirkt sich auf weitere Wirbel aus, Grenzwirbel genannt, von denen zwei vorhanden sind und der eine (15 bzw. 115) sich näher am Gehäuse 12 und der andere (16 bzw. 116) sich näher an der Nabe 5 befindet. Der erste Wirbel 15 bzw. 115 verbleibt im Wesentlichen an der gleichen Stelle (nicht weit von dem Spiel-Wirbel 14 bzw. 114 entfernt), der Wirbel 116 jedoch, der sich näher an der Nabe 5 befindet, ist deutlich gegenüber dem Wirbel 16 verlagert und befindet sich ungefähr vor der Hinterkante 108, anstatt auf der Saugseite 110, wie es bei dem Wirbel 16 der Fall ist. Daraus ergibt sich, dass die Grenzwirbel 115 und 116 weiter voneinander entfernt sind als die Wirbel 15 und 16 des bisherigen Standes der Technik, und sich daher weniger gegenseitig verstärken können. Sie nehmen zwar eine gleich große Oberfläche ein wie im herkömmlichen Konzept, doch sind sie, da der dort herrschende Unterdruck weniger stark ist, ebenfalls weniger stark.
Es wird der Vorteil ersichtlich, den es erbringt, die Leckströme zur (axialen) Hauptrichtung des Gasstroms hin zu beugen.

Claims

Turbinenschaufel, die in einer Gasströmungsbahn (2) angeordnet ist, mit einem Schaufelblatt (101), einer Vorderkante (107), einer Hinterkante (108) und einem Kopfende (111), wobei dieses Schaufelblatt (101) sich aus aufeinander liegenden Sektoren (106) zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (106) des Schaufelblatts (101), die dem Kopfende (111) am nächsten befindlich sind, ein Profil an der Hinterkante (108) aufweisen, das sich im Wesentlichen in der Hauptrichtung des in der Bahn (2) zirkulierenden Gasstroms erstreckt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelblattsektoren (106), die dem Kopfende (111) am nächsten befindlich sind, eine zur Hinterkante (108) hin immer schwächere Krümmung aufweisen.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (106), die dem Kopfende (111) am nächsten befindlich sind, weniger stark gekrümmt sind.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie an einer Ecke der Hinterkante (108) und des Kopfendes (111) ein nach außen verdrehtes Profil aufweist.