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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Gasturbinentriebwerke
und im Speziellen auf sich in ihnen befindende Verdichter- und Gebläsevorrichtungen.
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In
einem Turbofan-Flugzeuggasturbinetriebwerk wird im Betrieb in einem
Gebläse
und einem Verdichter Luft unter Druck gesetzt. Die Gebläseluft wird
für den
Antrieb eines fliegenden Flugzeugs verwendet. Die durch den Verdichter
geleitete Luft wird in einer Brennkammer mit Treibstoff vermischt
und gezündet,
um heiße
Verbrennungsgase zu erzeugen, die durch Turbinenstufen strömen, die
ihnen Energie für
den Antrieb des Gebläses
und des Verdichter entnehmen.
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Ein
typisches Turbofan-Triebwerk enthält einen mehrstufigen Axialverdichter,
der die Luft sequenziell unter Druck setzt, um Hochdruckluft für die Verbrennung
zu erzeugen. Die Druckluft breitet sich aus und verlangsamt sich,
wenn sie verdichtet wird. Die Verdichterschaufelblätter müssen deshalb
derart konstruiert sein, dass sie ein unerwünschtes Abreißen der
Strömung
reduzieren, das wiederum den Pumpgrenzabstand (Stall Margin) und
die Effizienz negativ beeinflussen könnte.
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Umgekehrt
werden Verbrennungsgase durch die Turbinenstufen beschleunigt, und
die Turbinenschaufeln weisen unterschiedliche aerodynamische Konstruktionen
zur Maximierung der Energieentnahmeeffizienz auf.
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Bei
der Konstruktion eines Verdichters ist die Effizienz bzw. der Wirkungsgrad
der Verdichtung der Luft mit ausreichendem Pumpgrenzabstand über den gesamten
Flugbetriebsbereich vom Start über
Flug bis zur Landung von fundamentaler Bedeutung.
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Der
Verdichterwirkungsgrad und der Pumpgrenzabstand stehen jedoch normalerweise
in einer Umkehrbeziehung zueinander, wobei eine Erhöhung des
Wirkungsgrads gewöhnlich
mit einer Absenkung des Pumpgrenzabstands einhergeht. Die zueinander im
Widerspruch stehenden Anforderungen an den Pumpgrenzabstand und
den Wirkungsgrad sind, anders als in weniger anspruchsvollen kommerziellen Anwendungen,
in militärischen
Hochleistungstriebwerksanwendungen, die einen hohen Wert des Pumpgrenzabstands
typischerweise auf Kosten der Verdichtereffizienz erfordern, besonders
anspruchsvoll.
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Eine
Maximierung der Effizienz von Verdichterschaufelblättern wird
in erster Linie durch Optimierung der Geschwindigkeitsverteilungen
entlang der Druck- und Saugseite des Schaufelblatts erzielt. In konventionellen
Verdichterkonstruktionen ist die Effizienz jedoch typischerweise
durch die Anforderung nach ausreichendem Pumpgrenzabstand begrenzt. Jede
weitere Erhöhung
der Effizienz resultiert typischerweise in einer Minderung des Pumpgrenzabstands,
während
umgekehrt eine weitere Erhöhung des
Pumpgrenzabstands zu einer Minderung der Effizienz führt.
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Eine
hohe Effizienz erhält
man typischerweise durch Minimierung des benetzten Oberflächenbereichs
der Schaufelblätter
für eine
bestimmte Stufe, um entsprechend den Schaufelblattluftwiderstand
zu reduzieren. Dies wird typischerweise durch eine Reduktion der
Schaufelblattfestigkeit oder der Dichte der Schaufelblätter um
den Umfang einer Rotorscheibe herum oder durch eine Erhöhung des
Längenverhältnisses
der Sehnenlängen
zu Spannweiten (Schaufelstreckung, Aspect Ration) erzielt.
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Für eine bestimmte
Rotordrehzahl verringert diese Effizienzsteigerung den Pumpgrenzabstand. Um
hohe Werte des Pumpgrenzabstands zu erzielen, kann eine höhere Festigkeit
als der optimale Festigkeitswert zusammen mit der Konstruktion der Schaufelblätter mit
suboptimalen Einstellwinkeln verwendet werden. Dies reduziert die
Axialverdichtereffizienz.
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Ein
erhöhter
Pumpgrenzabstand kann ebenso durch Erhöhung der Rotordrehzahl erzielt
werden, wobei aber dies wiederum die Effizienz reduziert, indem
die Mach-Zahlen des Schaufelblatts erhöht werden, was den Schaufelblattluftwiderstand
erhöht.
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Die
Verdichterleistungsfähigkeit
wird ferner durch das Zusammenwirken der Verdichterlaufschaufeln
mit den Statorleitschaufeln beeinflusst. Eine Leitschaufelreihe
erstreckt sich radial nach außen
von einer stützenden
Rotorlaufscheibe aus und rotiert im Betrieb innerhalb eines umgebenden
Statorgehäuses.
Eine zugehörige
Reihe von Statorlaufschaufeln ist direkt stromaufwärts von
den Leitschaufeln angeordnet, um den auf sie zuströmende Luftstrom
zu steuern.
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Die
Statorleitschaufeln weisen typischerweise radial äußere Spitzen,
die an einem ringförmigen Außenband
befestigt sind, und radial innere Füße auf, die in einem Innenband
montiert sind, das typischerweise eine Innendichtung trägt. Solch
eine Befestigung wird typischerweise dadurch bewerkstelligt, dass
die einzelnen Leitschaufeln durch komplementäre Löcher in den Druckbändern durchgesteckt
und die Leitschaufeln an die Bänder
z. B. durch Hartlöten oder
Schweißen
befestigt werden. Die einzelnen Leitschaufeln sind typischerweise
gerade und steif, um diesen Herstellungsprozess ohne Verformung
zu überstehen.
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Typische
Leitschaufeln weisen jedoch relativ gleichförmige radiale Profile vom Fuß bis zur
Spitze auf und begrenzen die Betriebseffizienz und den Pumpgrenzabstand.
Die Druckbänder
definieren Stirnwände,
entlang derer sich im Betrieb Grenzluftschichten bilden und die
Leistung beeinflussen. Aerodynamische Belastung oder Luftbelüftungsbelastung
der Leitschaufeln ist in der Nähe
der Stirnwände höher als
in den mittleren Spannweitenbereichen der Leitschaufeln, und die
Leitschaufel stirnwandgrenzflächen
erfahren Strömungsabrisse
entlang der Saugseiten der Leitschaufeln in der Nähe der Abströmkanten,
wenn sich die Luft im Betrieb ausbreitet.
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US 5,246,339 beschreibt
eine Leitschaufel für
ein axiales Gebläse.
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US 5,249,922 beschreibt
eine Vorrichtung einer stationären
Leitschaufel für
eine Axialströmungsturbine.
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Demgemäß weist
eine typische Verdichterkonstruktion einen Kompromiss zwischen Effizienz und
Pumpgrenzabstand auf, wobei das eine über das andere bevorzugt wird.
Ferner machen Unterschiede zwischen Laufschaufel- und Leitschaufelkonstruktionen
zusätzlich
den Verdichteraufbau kompliziert. Es ist somit wünschenswert, sowohl die Verdichtereffizienz
als auch den Pumpgrenzabstand weiter zu verbessern, indem die Verdichterleitschaufeln
und das Zusammenwirken zwischen zugehörigen Verdichterschaufeln verbessert
werden.
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Verschiedene
Aspekte und Ausführungsformen
der Erfindung sind in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und beispielhaften Ausführungsformen,
samt weiteren Aufgaben und ihren Vorteilen, ist in der folgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit begleitenden Zeichnungen
genauer beschrieben, in denen zeigen:
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1 eine
axiale Querschnittsansicht durch einen Abschnitt eines Gasturbinentriebwerksverdichters
mit einer Reihe von axial zwischen zugehörigen Rotorlaufschaufelreihen
angeordneten Leitschaufeln gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
radiale Querschnittsansicht durch eine der Verdichterleitschaufeln,
die in 1 dargestellt sind, geschnitten entlang 2-2;
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3 eine
axiale Seitenansicht, ähnlich 1,
der Verdichterleitschaufeln gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
stromaufwärts
gerichtete, isometrische Ansicht von drei benachbarten Verdichterleitschaufeln,
die in zugehörigen
radial inneren und äußeren Bändern befestigt
sind, im Wesentlichen entlang der Linie 4-4 in 1.
geschnitten.
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In 1 ist
in seitlicher Draufsicht ein Teil eines Gasturbinentriebwerksverdichters 10 veranschaulicht,
der zur Leitung und Verdichtung von Luft 12 konstruiert
ist. Der Verdichter ist achsensymmetrisch zur axialen Mittellinie 14 und
enthält
mehrere axiale Stufen von zugehörigen
Laufschaufeln 16, die sich radial nach außen von
zugehörigen
Rotoren in Form von gesonderten Laufscheiben oder integralen Blisks
oder ringförmigen
Trommeln in einer konventionellen Art erstrecken.
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Mit
jeder Rotorstufe wirkt ein zugehöriger Verdichterstator
zusammen, der mehrere in Umfangsrichtung zueinander im Abstand angeordnete Statorleitschaufeln 18 aufweist.
Die Laufschaufel 16 und die Leitschaufeln 18 definieren
Schaufelblätter, die
zugehörige
aerodynamische Profile oder Umrisse aufweisen, um in axialen Stufen
die Luft 12 sukzessive unter Druck zu setzen. Im Betrieb
wird der Druck der Luft erhöht,
wenn sich die Luft in der Axialrichtung von Stufe zur Stufe verlangsamt
und ausbreitet.
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Wie
in 1 und 2 veranschaulicht, definiert
jede Statorleitschaufel 18 ein Schaufelblatt, das eine
im Wesentlichen konkave Druckseite 20 und eine in Umfangsrichtung
gegenüberliegende,
im Wesentlichen konvexe Saugseite 22 enthält. Die
beiden Seiten 20, 22 erstrecken sich in Sehnenrichtung
zwischen einer stromaufwärts
gelegenen Vorder- bzw. Anströmkante 24 und
einer axial gegenüberliegen, stromabwärtigen Hinter-
bzw. Abströmkante 26.
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Die
einzelnen Schaufeln 18 können relativ zu einem orthogonalen
Koordinatensystem definiert werden, das eine sich parallel zu der
Triebwerksmittelachse verlaufende axiale Achse X, eine tangential oder
in Umfangsrichtung sich erstreckende Achse Y und eine radial sich
erstreckende Achse Z enthält. Jede
Schaufel 18 kann somit, wie in 1 veranschaulicht,
durch mehrere radial gestapelte ebene Abschnitte oder Querschnitte
definiert werden, die sich von einem Fuß 28 zu einer Spitze 30 radial
nach außen
erstrecken.
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In
der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform
ist die Schaufelreihe 18 in zugehörigen radialen Innen- und Außenbändern 32, 34 geeignet
gehaltert, wobei das Innenband typischerweise eine passende Dichtung
trägt (nicht
dargestellt). Die Schaufelfüsse 28 und
-spitzen 30 sind typischerweise starr in komplementären Öffnungen
in den zugehörigen
Bändern 32, 34 befestigt,
wobei die Bänder
Stirnwände
definieren, die die Strömung
der Luft 12 zwischen benachbarten Schaufeln 18 radial begrenzen.
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Wie
oben angedeutet, erfordern konventionelle Verdichterkonstruktionen
typischerweise einen Kompromiss aus Verdichtereffizienz und Pumpgrenzabstand.
Die Schaufelblätter
konventioneller Verdichterleitschaufeln sind typischerweise aufgrund ihrer
zweidimensionaler aerodynamischer Ausbildung radial ähnlich.
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Moderne
Computersoftware, die dreidimensionale (3D) Strömungsgleichungen löst, um die Schaufelblattleistungsfähigkeit
vollständiger
bewerten zu können,
ist nun konventionell verfügbar.
Solch eine 3D-Software kann zur Konstruktion sowohl der Rotorlaufschaufel 16 als
auch der Statorleitschaufel 18 verwendet werden, wobei
die Statorleitschaufeln den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
bilden. Die sich gemäß der vorliegenden
Erfindung ergebenden Schaufelblätter
weisen im Allgemeinen unterschiedliche 3D-Konfigurationen auf, die
sich gegenüber
konventionellen Schaufelblättern,
die hinsichtlich ihrer radialen Querschnitte in ihrer Längsrichtung oder
radialen Spannweiten wenig variieren, deutlich unterscheiden.
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Wie
zunächst
in 2 veranschaulicht, ist jeder radiale Schnitt der
Schaufel 18 durch die aerodynamische Kontur oder das aerodynamische
Profil entlang der Druck- und Saugseiten 20, 22 definiert, die
sich zwischen der Anström-
und der Abströmkante 24, 26 erstrecken.
Jeder Schnitt weist eine Sehne auf, die sich von einer Anström- zu einer
Abströmkante
erstreckt und durch ihre Sehnenlänge
C gekennzeichnet ist.
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Wie
in 1 veranschaulicht und wie es einem beispielhaften
Merkmal der vorliegenden Erfindung entspricht, verengt sich die
Statorleitschaufel 18 hinsichtlich der Sehne bis zu einem
Mittelstück 36 mit
minimaler Sehnenlänge,
das vorzugsweise zentral zwischen einem Fuß 28 und einer Spitze 30 entlang
der Längsrichtung
oder der radialen Spannweite der Schaufel angeordnet ist.
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Die
Anströmkante 24 ist
vorzugsweise sowohl von dem Fuß 28 als
auch von der Spitze 30 zu dem Mittelstück 36 hin verjüngt, wobei
eine im Wesentlichen konkave axiale Seitenansicht oder Projektion,
wie sie in 1 veranschaulicht ist, eine
Anströmkante
definiert, die einen einzigen Bogen aufweist. Das Mittelstück 36 ist
vorzugsweise in einem Bereich von etwa 30% bis 70% der Längsspannweite oder
der radialen Spannweite der Schaufel ausgehend von dem Fuß 28 angeordnet.
In der veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform ist das Mittelstück 36 bei
etwa 50% der Spannweite angeordnet. Und das Mittelstück 36 kann
bis zu ca. 30% kleiner sein als die Fuß- oder die Spitzensehnen.
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Wie
in der Seitenansicht oder der axialen Projektion in 1 gezeigt,
ist die Abströmkante 26 in
Längsrichtung
gerade oder zwischen dem Fuß und der
Spitze radial angeordnet. In axialer Projektion von irgendeiner
Schaufelseite aus, erscheint die Abströmkante 26 in der X-Z-Ebene
sowohl an der Druckseite als auch an der Saugseite gerade.
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Wie
ferner hierin nachstehend erläutert,
verengt sich die Statorleitschaufel 18 vorzugsweise in Sehnenrichtung
nur von der Anströmkante 24 zu
der Abströmkante 26 hin,
wobei die Abströmkante
im axialen Profil gerade bleibt. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Abströmkante 36 so
konstruiert, dass sie in axialer Draufsicht oder Projektion nur
radial ohne eine Neigung an der Anströmkante verläuft. Auf diese Weise ist das
Mittelstück 36 vollständig durch
die verjüngte
oder bogenförmige
Anströmkante 24 definiert,
wobei die Abströmkante
radial gerade und ohne einen Bogen ist.
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Durch
die Einführung
des schmalen Mittelstücks 36 zentral
in der Schaufel kann, indem die Sehnenlänge von beiden Stirnseiten
aus reduziert ist, ein verbessertes 3D-Leistungsverhalten der Statorstufe
erzielt werden. Der enge Mittelspan oder der zentrale Abschnitt
der Schaufel weist eine zugehörige
Reduktion des benetzten Oberflächenbereichs auf,
so dass folglich der aerodynamische Luftwiderstand entsprechend
reduziert ist.
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Die
Schaufel verengt sich vorzugsweise bis zu ihrem Mittelstück, wobei
die Sehnen von beiden Stirnseiten zur Erzielung eines im Allgemeinen gleichförmigen Diffusionsfortschritts
oder Belastung in der Längsrichtung
oder Radialrichtung von dem Fuß 28 zu
der Spitze 30 verkürzt
werden. Durch die Festlegung der radialen Sehnenverteilung der Schaufel
zur Erzielung einer im Wesentlichen gleichmäßigen aerodynamischen Belastung über die Schaufelblattspannweite
kann eine erhöhte
Leistungsfähigkeit
und Effizienz bei gleichzeitigem Wegfall der zusätzlichen Sehnenlänge in der
Nähe des Schaufelmittelstücks, die
für eine
effiziente Luftverdichtung nicht erforderlich ist, erzielt werden.
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Die
Schaufel wird gezielt in dem Mittelstück verengt, um entsprechend
die dort vorhandene Last und Druckluftbelüftung zu erhöhen, ohne
die Last und Druckluftbelüftung
in der Nähe
der Stirnseiten zu beeinträchtigen.
Die Längslastverteilung
kann, wie oben angedeutet, im Allgemeinen gleichmäßig oder an
dem Schaufelmittelspan etwas größer sein,
um eine seichte Sehnenverteilung sicherzustellen. Folglich wird
die Verdichtungseffizienz durch die Erhöhung der Druckluftbelüftung in
der zentralen Region der Leitschaufel erhöht, während der dort vorhandene Luftwiderstand
entsprechend verringert wird.
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Darüber hinaus
wird die Sehnenreduktion vorzugsweise an der Anströmkante des
Schaufelblatts anstatt an der Abströmkante bewirkt, um die aerodynamische „Neigung" (Aerodynamic Sweep) der
Anströmkante
an den Stirnseitenbändern
zu erhöhen.
Aerodynamischer Sweep ist ein herkömmlicher Parameter, und die
an der Schaufelanströmkante
in der Nähe
der Innen- und Außenbänder 32–34 erzielte
Vorderneigung (Forward Sweep) verbessert weiter die aerodynamische
Leistungsfähigkeit
der Schaufel.
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Die
bogenförmige
Anströmkante 24 kann auch
mit einer geraden aber geneigten Abströmkante bewirkt werden. Wie
in einer alternativen Ausführungsform
nach 3 gezeigt, kann die Abströmkante 26 in der axialen
Projektion gerade bleiben aber zu der Anströmkante 24 hin vom
Fuß zur
Spitze unter einem spitzen Neigungswinkel geneigt sein, der bis
zu etwa 10° betragen
kann. Der Neigungswinkel A ist zwischen dem Fuß und der Spitze vorzugsweise
konstant.
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Die
Verdichtereffizienz kann ferner gemeinsam mit einem verbessertem
Pumpgrenz- bzw. Strömungsabrisssicherheitsabstand
durch eine weitere Modifikation der Schaufeln 18 erhöht werden,
wie dies in 4 in tangentialer Ansicht oder
Projektion in der Y-Z-Ebene gezeigt ist. Die in 4 dargestellte Y-Z-Ebene
verläuft
orthogonal oder senkrecht zu der X-Z-Ebene, die in 1 veranschaulicht
ist, um zwei Projektionen der gleichen Schaufeln 18 mit
zugehöriger
tangentialer bzw. axialer Projektionen zu veranschaulichen.
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Wie
in 4 gezeigt, ist die Schaufelsaugseite 22 vorzugsweise
unter einem stumpfen Winkel B zwischen der Abströmkante 26 einerseits
und sowohl dem Fuß 28 als
auch der Spitze 30 andererseits gekrümmt. Die Abströmkante 26 definiert
ferner einen Neigungswinkel D mit der radialen Achse in der gezeigten
tangentialen Richtung oder Aussicht.
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Da
die Leitschaufeln 18 konfiguriert sind, um die Luftströmung 12 umzulenken
und zu verteilen, stellt der Strömungsabriss
der Luft vor allem an der Schaufelsaugseite in der Nähe der Abströmkante einen
Gesichtspunkt bei der Konstruktion dar. In einer herkömmlichen,
im Allgemeinen radial geraden Statorleitschaufel ist die Schaufelsaugseite
im Allgemeinen senkrecht zu den zugehörigen Stirnseiten ausgerichtet
und ist dem an ihr auftretenden Strömungsabriss ausgesetzt. Durch
die in 4 gezeigte Krümmung
der Saugseite der Schaufeln 18 entlang der Abströmkanten,
können
die resultierenden stumpfen Winkel B den unerwünschten Strömungsabriss an den Stirnwänden oder
Bändern
deutlich reduzieren oder eliminieren. Entsprechend kann daraus eine weitere
Steigerung der Verdichtereffizienz und des Abrisssicherheitsabstands
erzielt werden.
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In
der in 4 gezeigten axialen Frontansicht sind die einzelnen
Schaufeln 18 in erster Linie entlang ihrer Abströmkanten 26 gebogen
oder gekrümmt,
um ähnliche
stumpfe Winkel B sowohl an dem Fuß 28 als auch an der
Spitze 30 zu erzeugen. Der Neigungswinkel D ändert sich
folglich über
die Längs spannweite
der Leitschaufel hinweg, um die entgegengesetzt geneigten Fuß- und Spitzenabschnitte
an der Abströmkante
sanft zu verbinden. Der Neigungswinkel ändert sich vorzugsweise zwischen dem
Fuß und
der Spitze kontinuierlich.
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Die
in 4 veranschaulichte gebogene Abströmkante kann
durch die Änderung
des entsprechenden Krümmungs-
und Staffelungswinkels jedes radialen Schnitts gemeinsam mit der
Krümmung
der Staffelungsachse 38 der Leitschaufel von einer radialen
Linie aus, vor allem bei ihrer tangentialen Komponente bewirkt werden.
Die Staffelungsachse der Schaufeln ist vorzugsweise der geometrische
Ort der Mittelpunkte der Krümmungslinien
der einzelnen radialen Querschnitte der Leitschaufel, deren Mittelpunkte
typischerweise entlang der Spannweite einer Schaufel radial ausgerichtet
sind. In 4 ist die tangentiale Komponente
der Staffelungsachse 38 gebogen und von der radialen Spannachse
versetzt, um die bevorzugte gebogene Abströmkante der Schaufel zu erzielen.
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Die
in 1 gezeigte gebogene Anströmkante 24 wird vorzugsweise
in Verbindung mit der in 4 gezeigten gebogenen Abströmkante 26 verwendet,
vorzugsweise ohne dass die eine die andere beeinträchtigt.
Ihre Kombination erhöht
weiter den aerodynamischen Wirkungsgrad und steigert die Reduktion
oder Elimination des unerwünschten
Strömungsabrisses
an den Stirnwänden.
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Genauer
gesagt, enthält
die gleiche, in 1 und 4 gezeigte
Schaufel vorzugsweise sowohl eine gebogene Anströmkante 24 mit dem
zentralen Mittelstück 36 mit
minimaler Sehne als auch die sich senkrecht davon wegbiegende Abströmkante 26. Wie
in 1 gezeigt, ist die Abströmkante 26 in der axialen
Projektion der Druck- und Saugseiten 20, 22 im Allgemeinen
gerade, wobei sie entlang der Saugseite 22 in der in 4 gezeigten
orthogonal tangentialen Ebene ferner gebogen ist. Diese Kombination der
Anströmkante 26 in
zwei orthogonalen Ebenen ermöglicht
es, den Wert der Abströmkantenneigung D
zu maximieren, und dies bei gleichzeitig sehr großem stumpfen
Winkel B zur weiteren Verbesserung der Verdichtereffizienz und des
Pumpgrenzabstands.
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Der
stumpfe Winkel B kann somit innerhalb eines beispielhaften Bereichs
von ca. 100° bis
130° maximiert
werden, wobei die beispielhafte Obergrenze von 130° aus weiter
unten diskutierten Herstellungsgründen gewählt wurde. Die große Abströmkantenbiegung
wirkt mit der gebogenen Anströmkante
in einer 3D-Synergie zur Maximierung der Gleichmäßigkeit der Belüftungsbelastung
in Längsrichtung von
dem Schaufelfuß 28 bis
zur Spitze 30 zusammen. Die gleichförmige aerodynamische Belastung wird
auch durch eine wesentliche Reduktion oder Elimination des Strömungsabrisses
zwischen der Schaufelsaugseite und zugehörigen Stirnseiten an den Abströmkanten
bewirkt.
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Wie
in 2 und 4 gezeigt, ist die Schaufelanströmkante 24 vorzugsweise
im Wesentlichen lotrecht oder senkrecht zu dem zugehörigen Fuß 28 und
der zugehörigen
Spitze 30 ausgerichtet und erstreckt sich hauptsächlich in
radialer Richtung.
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Darüber hinaus
ist die Anströmkante 24 an dem
Fuß und
der Spitze in der in 4 gezeigten tangentialen Ebene,
die zu der Verjüngung
der Anströmkante
in der in 1 gezeigten axialen Ebene orthogonal
ist, im Wesentlichen gerade.
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Obwohl,
wie oben erläutert,
der Abströmkantenabschnitt jeder
Leitschaufel tangential gebogen ist, sind die Anströmkantenabschnitte
der Schaufeln relativ gerade, um in Längsrichtung eine Festigkeit der
Schaufeln beizubehalten, damit deren Montage mit entsprechenden
Bändern
möglich
wird. Solch eine Montage wird typischerweise durch Hindurchstecken
der einzelnen Leitschaufeln mit ausreichender Kraft in zugehörige Öffnungen
in den Bändern bewerkstelligt,
um dazwischen eine Presspassung zu erzielen. Die einzelnen Schaufeln
müssen
somit in Längsrichtung
steif sein, um ein Einknicken oder ein Verziehen in Längsrichtung
bei den angewandten erheblichen Durchsteckkräften zu verhindern.
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Der
in 4 dargestellte stumpfe Winkel B der Verbindungsstelle
ist vorzugsweise lokal an der Schaufelabströmkante vorhanden und verringert
sich vorzugsweise hinsichtlich der Größe, von der Abströmkante zu
der Anströmkante 24 hin.
An der Anströmkante
nähert
sich der Schnittstellenwinkel B 90°. Auf diese Weise kann ein signifikanter
Teil jeder Schaufel eine lotrechte oder senkrechte Orientierung relativ
zu seinem gegenüberliegenden
Fuß und
seiner gegenüberliegenden
Spitze beibehalten, um seine radiale Steifheit aufrechtzuerhalten
und eine Durchsteckmontage der Schaufeln mit den Bändern zu
ermöglichen.
Die Biegung oder Krümmung
jeder Schaufel muss somit zur Erhöhung der aerodynamischen Leistungsfähigkeit
ohne eine Beeinträchtigung der
Herstellbarkeit auf die Abströmkantenregion
begrenzt sein.
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Die
in 4 gezeigten gebogenen und gekrümmten Statorleitschaufeln 18 weisen
somit gemeinsam mit deren Stützbändern 32, 34 eine
verbesserte aerodynamische Leistungsfähigkeit auf. Der stumpfe Winkel
B an der Verbindungsstelle wird zwischen der Schaufelsaugseite 22 und
der Abströmkante 26 an
beiden Stirnwänden 32, 34 geschaffen. Ein
Strömungsabriss daran
wird signifikant reduziert oder eliminiert, wobei eine gleichmäßigere aerodynamische
Belastung der Schaufeln entlang ihrer radialen Spannweiten zur weiteren
Verbesserung der Effizienz erzielt wird.
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Die
Biegungs- und Krümmungsmerkmale der
Statorleitschaufeln werden in Kombination miteinander zur Maximierung
der Effizienz und des Pumpgrenzabstands verwendet, was auf deren
kombinierten Synergieeffekt zurückzuführen ist.