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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
stromlinienförmig ausgebildete Profile, wie sie üblicherweise in
Gasturbinentriebwerken benutzt werden. Diese Profile können
die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln eines
Axialströmungskompressors in einem Gasturbinentriebwerk bilden.
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In einem Gasturbinentriebwerk wird die Kompression der Luft
durch einen Axialströmungskompressor bewirkt. Der
Axialströmungskompressor ist eine mehrstufige Einheit, die
abwechselnd Schaufelreihen rotierender Rotorschaufeln und
stationärer Statorschaufeln aufweist. Die Funktion der
Rotorschaufeln und der Statorschaufeln besteht darin, die
Luft zu beschleunigen und zu diffundieren, bis der
erforderliche Druckanstieg vorhanden ist.
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Wie beispielsweise in der EP-A-0 441 097 beschrieben, sind
die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln in
Umfangsrichtung in Reihen angeordnet. Jede Rotorschaufelreihe
richtet die hindurchtretende Luft von der unmittelbar
stromaufliegenden Statorschaufelreihe nach der uninittelbar
stromab liegenden Statorschaufelreihe. Jede Reihe von
Statorschaufeln richtet die Luft unter einem Winkel auf die
nächste Rotorschaufelreihe. Der bevorzugte Eintrittswinkel
der Luft in jede Rotorschaufelreihe hängt von der Drehzahl
und dem Geschwindigkeitsvektor der sich jeder Reihe
nähernden Luft ab.
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Um die Luftströmungsverteilung innerhalb des
Axialströmungskompressors zu optimieren, sind Rotorschaufeln und
Statorschaufeln so ausgebildet, daß die Luftströinung in
jede Reihe unter einem bevorzugten Winkel eintritt. Die
Schaufeln sind so ausgebildet, daß der Winkel, unter dein
die Luftströmung am Vorderrand der Rotorschaufeln oder der
Statorschaufeln eintritt, derart ist, daß die Luftströmung
keiner abrupten Richtungsänderung unterworfen wird. Bei dem
richtigen Winkel wird die Luftströmung allmählich abgelenkt
und haftet an den Oberflächen der Rotorschaufeln und der
Statorschaufeln an. Hierdurch werden aerodynamische
Verluste vermindert, und es wird gewährleistet, daß der
Axialströmungskompressor mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.
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Der Luftströmungswinkel für jede Schaufelreihe wurde
traditionsgemäß durch Versuche festgelegt, und zwar unter
Benutzung von Korrelationen, die aus experimentellen
Testdaten gewonnen wurden. Die experimentellen Testdaten
werden benutzt, um den Winkel an einer nominell auf
mittlerer Höhe liegenden Stelle der Vorderkante der
Rotorschaufeln oder der Statorschaufeln einzustellen. Der Winkel
der Luftströmung an der Stelle mittlerer Höhe wird so
eingestellt, daß die aerodynamischen Verluste minimal
gehalten werden. Da der Winkel, unter dem die Luftströmung
an der Vorderkante auftrifft, nur in der mittleren
Höhenlage eingestellt wird, sind aerodynamische Verluste an
anderen Stellen längs der Vorderkante der Rotorschaufeln
oder der Statorschaufeln radial über und unter der
Mittelhöhenstelle zu erwarten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
Rotorschaufeln oder Statorschaufeln zur Benutzung bei einem
Axialströmungskompressor eines Gasturbinentriebwerks zu
schaffen, bei denen der Winkel, unter dem die Luftströmung
auf die Vorderkante einfällt, an mehreren Stellen längs der
Vorderkante jeder Rotorschaufel oder Statorschaufel
eingestellt wird. Das aerodynamische Profil der Vorderkante
der Rotorschaufeln oder der statorschaufeln verbessert auch
den axialen Wirkungsgrad des Axialströmungskompressors.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt ein
Stromlinienprofil zur Benutzung bei einem Axialströmungskompressor
eines Gasturbinentriebwerks ein aerodynamisches Profil,
welches durch mehrere nominelle Abschnitte definiert ist,
die in einer Ebene normal zur Längsachse des Triebwerks
gestaffelt sind, wobei jeder Abschnitt eine Druckoberfläche
und eine Saugoberfläche aufweist und so angeordnet ist, daß
im Betrieb ein Teil der Luftströmung, die durch das
Triebwerk strömt, unter einem Kreisbogen an der Vorderkante
eines jeden Abschnitts auftrifft, wobei das
Stromlinienprofil dadurch gekennzeichnet ist, daß die nominellen
Abschnitte so gestapelt sind, daß sie ein Stromlinienprofil
definieren, welches ein derartiges Vorderkantenprofil
besitzt, daß bei einer vorbestimmten Triebwerksdrehzahl der
Anteil der Luftströmung, der auf die Vorderkantenkreisbögen
jedes Abschnitts auftrifft, unter einem Winkel verläuft,
bei dem die Luftströmung sich teilt, so daß die maximale
Geschwindigkeit der Luftströmung am Vorderkantenkreis, die
schließlich über die Druckoberfläche eines jeden Abschnitts
abfließt, gleich ist der Maximalgeschwindigkeit der
Luftströmung am Vorderkantenkreis, die danach über die
Saugoberfläche eines jeden Abschnitts strömt.
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Die Druckoberfläche eines jeden Abschnitts, die das
Stromlinienprofil definiert, ist konkav, und die Saugoberfläche
eines jeden Abschnitts, der das Stromlinienprofil
definiert, ist konvex.
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Das Stromlinienprofil kann eine Schaufel oder ein Flügel
sein, wobei der Flügel einstellbar sein kann.
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Vorzugsweise sind mehrere stromlinienprofile in einer sich
über den Umfang erstreckenden Reihe angeordnet, um eine
Stufe eines Axialströmungskompressors zu definieren.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit
der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Ansicht eines
Gasturbinentriebwerks, welches teilweise aufgebrochen dargestellt ist,
um im Schnitt einen Teil eines Axialströmungskompressors zu
veranschaulichen,
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer
Kompressorrotorschaufel mit mehreren Radialschnitten,
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Fig. 3 eine der radialen Schnittansichten der
Schaufel gemäß Fig. 2, wobei die auf die Vorderkante
auftreffende Luft einen hohen positiven Einfallswinkel
aufweist,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der
Geschwindigkeitsverteilung der Luft um den Radialschnitt der Schaufel
gemäß Fig. 3 herum,
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Fig. 5 eine der Querschnittsansichten der Schaufel
gemäß Fig. 2, wobei die auf die Vorderkante auftreffende
Luft einen hohen negativen Auftreffwinkel besitzt,
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der
Geschwindigkeitsverteilung der Luft rund um den Radialschnitt der
Schaufel gemäß Fig. 5 herum,
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Fig. 7 eine der Querschnittsansichten der Schaufel
gemäß Fig. 2, wobei die Luft, die auf der Vorderkante
auftrifft, einen optimalen Einfallswinkel besitzt,
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Fig. 8 eine graphische Darstellung der
Geschwindigkeitsverteilung der Luft rund um den Radialabschnitt der
Schaufel gemäß Fig. 7 herum.
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Gemäß Fig. 1 weist ein Gasturbinentriebwerk 10 einen
ummantelten Fan 11, einen Kompressor 12, eine
Verbrennungseinrichtung 13 und eine Turbine 14 in
Axialströmungsrichtung hintereinander auf. Das Triebwerk arbeitet in
herkömmlicher Weise derart, daß die Luft durch den Fan 11
und den Kompressor 12 verdichtet wird, bevor diese Luft mit
Brennstoff vermischt und der Brennstoff in der
Verbrennungseinrichtung 13 verbrannt wird. Die
Verbrennungsprodukte
dehnen sich dann über die Turbine 14 aus, die den
Fan 11 und den Kompressor 12 antreibt, bevor die
Verbrennungsprodukte durch eine Schubdüse 15 ausgestoßen
werden.
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Der Kompressor 12 besitzt abwechselnd stationäre
Statorschaufeln 16 und rotierende Rotorschaufeln 18. Der Druck
der Luftströmung wird beim Durchströmen der abwechselnden
Reihen von Statorschaufeln 16 und Rotorschaufeln 18
angehoben. Die Luft wird von jeder Rotorschaufelreihe 18 nach
einer weiter stromab liegenden Statorschaufelreihe 16
abgegeben. Die Statorschaufeln 16 richten die Luftströmung
unter einem bevorzugten Winkel zum Auftreffen auf die
nächstfolgende Schaufelreihe 18.
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Der bevorzugte Winkel, unter dem die Luftströmung die
Schaufel treffen sollte, ändert sich axial über die Länge
des Kompressors 12 und ebenso radial längs der Vorderkante
19 (Fig. 2) jeder Schaufel 18 in der Reihe. Um zu
gewährleisten, daß die Luft unter einem richtigen Winkel über
die Vorderkante 19 auftrifft, ist jede Schaufel 18 vom
Schaufelfuß 22 nach der Schaufelspitze 24 hin verdrillt.
Das Ausmaß der erforderlichen Verdrillung hängt von der
Drehzahl der Schaufel und dem Geschwindigkeitsvektor der
sich der Vorderkante 19 nähernden Luft ab.
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Jede Schaufel 18 sollte so ausgebildet sein, daß der
Winkel, unter dem die Luftströmung auf die Vorderkante 19
der Schaufel auftrifft, derart ist, daß die Luft nicht
abrupt um die Vorderkante 19 abgelenkt wird. Wenn die Luft
auf der Vorderkante 19 der Schaufel 18 unter dem optimalen
Winkel auftrifft, dann wird die Luftströmung glatt
abgelenkt und heftet sich an einer konkaven Druckoberfläche
26 und einer konvexen Saugoberfläche 28 der Schaufel 18 an.
Hierdurch werden die aerodynamischen Verluste auf ein
Mindestmaß herabgesetzt, und es wird die Möglichkeit
geschaffen, daß die Schaufel 18 wirksam arbeitet.
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Um die Schaufeln 18 derart auszubilden, daß die
Luftströmung unter dem richtigen Winkel radial über die
Vorderkante 19 auftrifft, ist jede Schaufel 18 in eine Anzahl von
nominellen Radialabschnitten 30 (Fig. 2) unterteilt. Ein
nomineller Kreis 20 ist der Vorderkante 19 eines jeden
Abschnitts 30 der Schaufel 18 angepaßt.
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Fig. 3 zeigt einen der Radialschnitte 30 der Schaufel 18.
Die Luft trifft auf die Vorderkante 19 auf der konkaven
Druckseite 26 der Schaufel auf und hat, wie man sagt, einen
hohen positiven Einfallwinkel.
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Wenn die Luft auf der Vorderkante 19 des Radialschnittes 30
auftrifft, verliert sie das ihr innewohnende Moment, und es
bildet sich ein Stagnationspunkt S. Dann teilt sich die
Luftströmung derart auf, daß ein Teil in Richtung des
Pfeiles A um den Kreis 20 an der Vorderkante 19 nach der
Druckoberfläche 26 abströmt, während der Rest in Richtung
des Pfeiles B um den Kreis 20 an der Vorderkante 19 nach
der Saugoberfläche 28 abfließt.
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Die Geschwindigkeit der Luftströmung, die in Richtung des
Pfeiles A nach der Druckoberfläche 26 abfließt, ist in
Abhängigkeit von dem Abstand längs der Bezugslinie C,
nämlich der Sehne, aufgetragen. Die Sehne C erstreckt sich
vom Krümmungsmittelpunkt der Vorderkante 19 nach dem
Krümmungsmittelpunkt der Hinterkante 21. Der Abstand längs
der Bezugslinie C ist als Bruchteil der Gesamtsehnenlänge
ausgedrückt. Die Geschwindigkeitsverteilung der
Luftströmung, die in Richtung des Pfeiles A über die Druckseite
26 strömt, ist durch die +-punkte in Fig. 4 aufgetragen. In
gleicher Weise ist die Geschwindigkeit der Luftströmung,
die in Richtung des Pfeiles B über die Saugseite 28 strömt,
in Abhängigkeit von dem Abstand über die Sehne C
aufgetragen. Die Geschwindigkeitsverteilung auf der Saugseite
28 ist durch die y-punkte in Fig. 4 dargestellt.
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Die Geschwindigkeit der Luftströmung baut sich schnell in
beiden Richtungen auf, nachdem sie den Stagnationspunkt S
verläßt. Die Luftströmung muß einen weiteren Weg um den
Vorderkantenkreis 20 zurücklegen, um die Saugseite 28 zu
erreichen, als auf ihrem Weg nach der Druckseite 26 hin.
Die Luftströmung, die von der Vorderkante 19 nach der
Saugseite 28 der Schaufel 18 verläuft, nimmt eine höhere
Geschwindigkeit an als die Luft, die nach der Druckseite 26
abfließt. Dies führt zu einer Spitze 32 in der
Geschwindigkeitsverteilung der Luft, die in Richtung des Pfeiles B von
der Vorderkante 19 nach der Saugseite 28 abströmt, und
diese Punkte sind in Fig. 4 mit y bezeichnet.
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Wenn die Luftströmung auf der Vorderkante 19 auf der
konvexen Saugseite 28 der Schaufel gemäß Fig. 5 auftrifft,
sagt man, die Luft hat einen hohen negativen Anstellwinkel.
Die Luftströmung muß einen weiteren Weg um den Kreis 20 am
Vorderrand 19 Zurücklegen, um die Druckseite 26 zu
erreichen, als sie auf ihrem Weg nach der Saugseite 28
zurücklegen muß. Die Luftströmung an der Vorderkange 19 hat
daher eine höhere Geschwindigkeit, wenn sie nach der
Druckseite 26 der Schaufel 18 abströmt. Dies führt zu einer
Spitze 34 in der Geschwindigkeitsverteilung der in Richtung
des Pfeiles A von der Vorderkante 19 nach der Druckseite 26
strömenden Luft. Die Geschwindigkeitsverteilung der Luft,
die in Richtung des Pfeiles A von der Vorderkante 19 nach
der Druckseite 26 abströmt, ist in Fig. 6 durch die +-Punkte
dargestellt.
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Der Winkel, unter dem die Luftströmung auf den Vorderrand
i9 eines jeden Abschnitts 30 der Schaufel 18 einfällt, wird
geändert, bis die Luftströmung um den gleichen Abstand an
der Vorderkante 19 über den Kreis 20 strömen muß, um die
Druckseite 26 bzw. die Saugseite 28 gemäß Fig. 7 zu
erreichen. Spitzen erscheinen in der
Geschwindigkeitsverteilung der Luftströmung, die von der Vorderkante 19 sowohl
nach der Druckseite 26 als auch nach der Saugseite 28
abströmt, wie dies Fig. 8 zeigt. Die Spitzen 32 und 34 an
der Vorderkante 19 beider Geschwindigkeitsverteilungen
haben die gleiche Höhe. Der Grund hierfür besteht darin,
daß die Luftströmung, die um die Vorderkante 19 fließt,
über die gleiche Entfernung in beiden Richtungen um den
Kreis 20 strömt. Die Luftströmung, die von der Vorderkante
19 in Richtung des Pfeiles A strömt, nimmt daher die
gleiche Geschwindigkeit an wie die Luft, die von der
Vorderkante 19 in Richtung des Pfeiles B nach der Saugseite
28 strömt. Die Luft wird glatt abgelenkt und haftet an der
Druckseite 26 und der Saugseite 28 an, wodurch
aerodynamische Verluste auf ein Mindestmaß verringert werden.
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Der Anstellwinkel der Luftströmung wird für jeden
Radialschnitt 30 der Schaufel 18 geändert, bis die Spitzen 32 und
34 in den Geschwindigkeitsverteilungen an der Vorderkante
19 gleiche Höhen besitzen. Auf diese Weise kann der Winkel,
unter dem die Luftströmung auf der Vorderkante 19
auftrifft, für jeden radialen Abschnitt 30 der Schaufel 18 so
bestimmt werden, daß die aerodynamischen Verluste auf ein
Mindestmaß verringert werden.
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Nachdem einmal der optimale Winkel, unter dem die
Luftströmung auf der Vorderkante 19 auftrifft, für jeden
Radialschnitt 30 der Schaufel 18 gefunden wurde, werden die
Abschnitte 30 in einer Ebene normal zur Längsachse des
Triebwerks 10 gestaffelt. Der gestaffelte Abschnitt 30
definiert eine Schaufel 18 mit einer Vorderkante 19, deren
aerodynamisches Profil derart ausgebildet ist, daß die
Luftströmung unter einem optimalen Winkel auf der
Vorderkante 19 auftrifft. Die Luftströmung trifft auf der
Vorderkante 19 von dem Schaufelfuß 20 nach der Schaufelspitze 22
der Schaufel 18 unter dem optimalen Winkel auf, wodurch der
Betriebswirkungsgrad des Kompressors verbessert wird.
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Die Geschwindigkeitsverteilung gemäß Fig. 8 mit den
zugeordneten Spitzen 32 und 34 liefert eine visuelle Anzeige
des Auftreffens. Dies kann benutzt werden, um den
Auftreffwinkel einzustellen, der an der Vorderkante 19 der Schaufel
18 für unterschiedliche Triebwerksarbeitsbedingungen
innerhalb annehmbarer Sicherheitsgrenzen erforderlich ist.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine
Rotorschaufel beschrieben. Es ist jedoch für den Fachmann
klar, daß die Erfindung ebenso für Statorschaufeln eines
Axialströmungskompressors anwendbar ist. Diese Technik kann
auch benutzt werden, um variable Statoranordnungen in ihren
Nominalstellungen einzustellen, wie dies in der US-A-
4 861 228 beschrieben ist.