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Die
Erfindung betrifft eine gepfeilte Gebläseschaufel oder Verdichterschaufel
für ein
Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung die Konstruktion von Gebläseschaufeln für ein Triebwerk
mit hohem Beipassverhältnis
derart, wie es zum Antrieb moderner Zivilflugzeuge eingesetzt wird.
Eine primäre
Funktion des Gebläses
ist die Erzeugung von Vortriebsschub durch Energiezufuhr zu der
durch den Gebläsekanal
strömenden
Luft, wodurch der Druck und das Moment der Luft gesteigert wird.
Die Leistung eines solchen Rotors wird nach dem Maximalschub beurteilt,
den er mittels maximalen Luftstroms und maximalen Druckanstiegs
erzeugt, und nach dem Anteil der dem Gebläse zugeführten Eingangsenergie, die
in nutzbaren Schub umgewandelt wird, charakterisiert durch den adiabatischen
Gebläsewirkungsgrad.
Die Gebläsestabilität ist ein
wichtiger Konstruktionsgesichtspunkt, und zur Sicherstellung eines
stabilen Betriebs wird ein Spielraum zugelassen. Daher ist es Standardpraxis,
ein Gebläse
so auszulegen, daß man
bei einer gewählten
Drehzahl, die unterhalb der maximal erreichbaren Drehzahl liegt,
einen gegebenen Luftstrom und einen gegebenen Druckanstieg erreicht
und damit einen Stabilitätsbereich
vorsieht.
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Eines
der Ziele der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung des Gebläsewirkungsgrads
oberhalb der gegenwärtig
mit existierenden Konstruktionen erreichbaren Werte, und dies, während die
Gebläsedrehzahl
aufrechterhalten wird und während der
Druckanstieg ohne Erosion des Stabilitätsbereichs aufrechterhalten
oder verbessert wird.
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Der
Rotorwirkungsgrad hat einen starken Einfluß auf den Triebwerksbrennstoffverbrauch,
so daß eine
Steigerung des Rotorwirkungsgrads eine direkte und wesentliche Auswirkung
auf den Brennstoffverbrauch hat.
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Ein
Gebläserotor
weist eine Anzahl von um eine Nabe montierten Rotorschaufeln auf.
Die Form jeder Schaufel kann begrifflich als eine Vielzahl gestapelter
Tragflächenprofilsegmente
mit einer Vorderkante, einer Hinterkante, einer Druckfläche und einer
Saugfläche
definiert werden. Diese Tragflächenprofilsegmente
sind aufeinander gestapelt und können
axial und umfangsmäßig so angeordnet
sein, daß die
Vorderkante in einer gewünschten Weise
gepfeilt ist. Bei einer Vorwärtspfeilung
sind die Segmentvorderkanten bei größeren Rotorradien fortschreitend
weiter in stromaufwärtiger
Richtung versetzt, und in ähnlicher
Weise ist bei einer Rückwärtspfeilung
der entgegengesetzte fortschreitende Axialversatz in stromabwärtiger Richtung
bei zunehmend größeren Radien
vorhanden. Der Anstellwinkel eines Tragflügelsegments ist der Verdrehungswinkel
eines Segments, gemessen als der Winkel zwischen der Segmentsehne
und einer Ebene durch die Drehachse. Die Sehne eines Schaufelsegments
ist eine gerade Linie zwischen der Vorderkante und der Hinterkante
des Segments.
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Die
EP-0 266 298 A beschreibt
eine gepfeilte Gebläseschaufel
mit einer Vorderkante, bei welcher ein Pfeilungswinkel zwischen
dem Fuß und
einem ersten Zwischenradius gebildet ist und die Vorderkante zwischen
dem ersten Zwischenradius und der Spitze einen Rückwärtspfeilwinkel hat.
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Die
EP-0 774 567 A ,
deren Prioritätsdatum der
17. November 1995 und deren Veröffentlichungsdatum
der 21. Mai 1997 ist, beschreibt eine gepfeilte Gebläseschaufel
mit einer Vorderkante, die zwischen dem Fuß und einem ersten Zwischenradius
einen Vorwärtspfeilungswinkel
aufweist und zwischen dem ersten Zwischenradius und einem zweiten
Zwischenradius einen Rückwärtspfeilungswinkel
aufweist, sowie zwischen dem zweiten Zwischenradius und der Spitze
einen Rückwärtspfeilungswinkel
aufweist. Der Rückwärtspfeilungswinkel
zwischen dem zweiten Zwischenradius und der Spitze nimmt ab bzw.
nimmt nicht zu.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine gepfeilte Gebläseschaufel für ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk
einen Fuß,
eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckseite und
eine Saugseite auf, wobei die Vorderkante mit Bezug auf die Axialrichtung
des Luftstroms um einen Pfeilungswinkel geneigt ist, der sich mit
der Schaufelhöhe
verändert,
wobei weiter die Vorderkante einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen
dem Fuß und
einem ersten Zwischenradius aufweist, und die Vorderkante einen
Rückwärtspfeilungswinkel
zwischen dem ersten Zwischenradius und einem zweiten Zwischen radius
aufweist, und die Vorderkante einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen
dem zweiten Zwischenradius und der Spitze hat.
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Gewöhnlich wird
die Pfeilung angewendet, um die Geschwindigkeit des senkrecht zur
Vorderkante gemessenen Luftstroms auf subsonische Werte zu verringern.
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Die
Erfindung und wie sie in die Praxis umgesetzt werden kann, wird
nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben,
wie in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Gebläserotors mit gepfeilten Schaufeln,
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die 2a, 2b und 2c drei
orthogonale Ansichten einer einzelnen Schaufel des Rotors nach 1,
auf deren Oberfläche
ein Gittermuster erzeugt worden ist, um die Konturen der Schaufel
zu verdeutlichen,
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die 3a, 3b und 4a, 4b Seiten-
und Draufsichten einer nicht gepfeilten bzw. einer gepfeilten Schaufel,
um die Wirkung der Pfeilung auf die Schaufelstoßwellen darzustellen,
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5 eine
Ansicht vom Schaufelspitzenende her mit gestapelten Tragflügelsegmenten,
wobei Sehnenlängen
und Anstellwinkelveränderung
mit der Stapelhöhe
dargestellt sind,
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die 6a und 6b eine
Konturkarte des statischen Drucks auf der Schaufelsaugseite und
einer entsprechenden Konturkarte für relative Machzahlen, und
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7 eine
Tabelle von Pfeilungswinkel, Machwinkel und Machzahl bei einer Anzahl
von Punkten entlang der Höhe
einer Schaufel.
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Es
wird zuerst auf die perspektivische Darstellung eines Gebläserotors
in 1 Bezug genommen, wo eine kreisförmige Anordnung
von Gebläseschaufeln
mit identischer Pfeilung gezeigt ist, von denen eine mit 2 bezeichnet
ist und die mit gleichen Abständen
um den Umfang einer drehbaren Nabe 4 angeordnet sind. Die
Art und Weise, wie die Schaufeln 2 auf der Nabe 4 montiert
sind, hat für
die vorliegende Erfindung keine Bedeutung und diese Beschreibung einer
beispielsweisen Ausführungsform
beabsichtigt keine allgemeine Beschränkung und eine solche sollte
daraus nicht abgeleitet werden. In ähnlicher Weise ist die Zusammensetzung
und Konstruktion der Schaufel 2 für diese Erfindung unbedeutend,
d. h. ob die Schaufeln massiv oder hohl, aus Metall oder Kompositwerkstoff
bestehen, oder monolithisch oder in anderer Weise hergestellt sind.
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Die
Nabe 4 ist um eine Achse 6 in Richtung des Pfeils 8 drehbar,
und diese Drehrichtung definiert für jede Schaufel 2 ihre
Vorderkante 10 und Hinterkante 12. Die Schaufeln
sind deckbandlos und haben daher eine ebene Spitze 14.
In jeder der Zeichnungen haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
Daher kann aus 2 entnommen werden,
daß nach Einbau
in ein Triebwerk die Schaufelspitze 14 nahe an einer Gebläsekanalwand 16 läuft, welche
die Gebläserotorstufe 1 umgibt
und die Innenwandfläche
einer Triebwerkszelle bildet, von welcher ein Teil bei 18 dargestellt
ist. In 2 ist nur eine Schaufel dargestellt,
die anderen sind der Klarheit halber weggelassen. In 1 ist
auch der Scheitel der Nabe 4 abgebrochen dargestellt, um
die Schaufeln auf der anderen Seite sichtbar zu machen, die sonst
verdeckt wären.
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In
den drei orthognal zueinander stehenden Ansichten nach 2 ist die Schaufel mit einem quadratischen
Gittermuster auf Sauseite und Druckseite versehen. Bei Ansicht von
der Seite, der Front und von oben in den 2a, 2b und 2c ist
das quadratische Muster in den perspektivischen Darstellungen also
wegen der gewölbten
Schaufeloberflächen
verzerrt, wodurch die Formen dieser Flächen ersichtlich werden.
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Die
Form jeder Schaufel 2 des Gebläserotors 1 ist begrifflich
durch eine Vielzahl gestapelter Tragflügelsegmente definiert, die
jeweils eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckfläche und
eine Saugfläche
haben. Obwohl der leichteren Beschreibung halber nur eine begrenzte
Anzahl von Segmenten erörtert
wird, und 5 11 solche Segmentprofile zeigt, ist
klar, daß in
der Praxis die Anzahl der Inkrementschritte der mathematischen Berechnung
ein Kontinuum unendlich dünner
Inkrementschritte wäre.
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Die 3a und 3b zeigen
eine Seitenansicht und eine Spitzenansicht einer herkömmlichen
Rotorschaufel 30 mit gerader Kante, die zeigen, daß die Tragflügelabschnitte über den
größten Teil der
Schaufelhöhe
in einem Transsonischen Strömungsbereich
arbeiten. Das bedeutet, daß die
Geschwindigkeit der Luftströmung
relativ zum Rotor supersonisch ist, wenn sie über die Vorderkante 32 der Schaufel
strömt,
aber vor dem Passieren der Hinterkante 34 auf subsonische
Geschwindigkeit verzögert wird.
Ein großer
Teil dieser Verzögerung
findet in einer Stufendruckdiskontinuität 36 statt, die als
zweidimensionale Fläche über einen
Strömungskanal
zwischen benachbarten Schaufeln verläuft und daher an eine Seite
durch die Saugfläche
einer Schaufel und die Druckfläche
einer benachbarten Rotorschaufel gebunden ist. Diese Diskontinuität 36,
die als Kanalstoßwelle
bekannt ist, tritt auf, weil die stromaufwärtige supersonische Strömung per
Definition mehr graduell auf stromabwärtige subsonische Bedingungen reagieren
kann.
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Die
Kanalstoßwelle
fügt der
Luft Energie zu, von welcher ein Teil als Schub rückgewonnen
werden kann, und dieser Energieverlust in der Stoßwelle trägt beträchtlich
zur Gesamtineffizienz des Gebläserotors
bei. Die Stoßwellentherorie
besagt, daß diese Verluste
verringert werden, wenn die Machtzahl der Luftströmung unmittelbar
vor der Stoßwelle
und senkrecht zur Wellenfront gemessen, verringert wird. Daher kann
die Rotoreffizienz dadurch gesteigert werden, daß die Stoßwelle so geneigt wird, daß der Luftstrom
die Diskontinuität
unter einem schrägeren Winkel
trifft. Die Stoßwellenneigung
wird durch Anwenden einer Pfeilung bei dem Rotor erreicht, wie sie in
Seiten- und Spitzenansicht nach den 4a und 4b dargestellt
ist.
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Ein
Pumpschwingungs-Sicherheitsspielraum ist ein weiteres zu betrachtendes
Konstruktionskriterium. Im normalen Betrieb müssen Druckanstieg und Luftströmungsdurchsatz
des Rotors ausreichend Sicherheitspielraum haben, um ein Flattern oder
Pumpschwingungen zu verhindern. Dieser Spielraum wird ausgehöhlt, wenn
der Druckanstieg im Betrieb gesteigert wird. In solchen Fällen verschiebt
sich die Stoßwelle
nach vorne in Richtung zur Vorderkante der Rotorschaufeln. Gegebenenfalls wird
ein Grenzpunkt erreicht, wenn der Rotor keinen stabilen Betrieb
mehr aufrecht erhalten kann, und der Rotor erfährt dann ent weder eine heftige
Luftströmungsumkehr,
die als Pumpschwingung bekannt ist oder eine heftige Vibration,
die durch örtliche
Schwingungen des Luftstroms verursacht wird und als Flattern bekannt
ist.
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Eine
einfache Form einer gepfeilten Rotorschaufel 40 ist in
den 4a und 4b dargestellt. Dabei
sind die gestapelten Tragflügelsegmente
einer herkömmlichen
Schaufel, beispielsweise nach den 3a und 3b,
effektiv axial und umfangsmäßig verschoben,
um eine gepfeilte Vorderkante 4 zu ergeben. Es ist notwendig,
nahe der Nabe 4 eine Vorwärtspfeilung anzuwenden, um
der Rückwärtspfeilung
der äußeren Abschnitte
der Schaufel 30 entgegenzuwirken, um die Konstruktion mechanisch machbar
zu machen. In den 4a und 4b ist ebenfalls
die Position der Stoßfläche 46 nahe
der Saugfläche
gezeigt. Bei einem gegebenen Tragflügelsegment mit einer spezifischen
Distanz von der Triebwerksmittellinie (radiale Höhe) ist die Position der Stoßwelle 46 nicht
nur eine Funktion der Form und Position dieses Segments, sondern
auch der Position der Stoßwelle
bei anderen Segmenten, d. h. bei unterschiedlichen radialen Höhen. Dies
bedeutet, daß,
wenn eine gepfeilte Schaufel in der oben beschriebenen Weise ausgelegt
ist, die zweidimensionale Stoßfläche 46 zu
einer geringeren Verschiebung tendiert als die Verschiebung der
Tragflügelsegmente,
d. h. die Stoßfläche ist
nicht so stark gepfeilt wie die Vorderkante 42. Dies resultiert
darin, daß die Stoßwelle näher bei
der oder sogar vor der Vorderkante 42 nahe der Saugfläche an der
Schaufelspitze liegt, wie in 4a gezeigt
ist.
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Eine
solche Konstruktion hat eine ihr innewohnende schlechte Stabilität, d. h.
eine niedrige Druckanstiegsfähigkeit
im Vergleich mit der ursprünglichen
herkömmlichen
Konstruktion. Eine gepfeilte Schaufel dieser Art ist daher nicht
brauchbar.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
jedoch diese innewohnenden Stabilitätsprobleme der Pfeilung durch
Anwendung einer Anzahl spezifischer neuer mechanischer Merkmale,
um die Stoßfläche rückwärts zu verschieben,
weg von der Vorderkante an der Schaufelspitze.
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Die
mechanische Form einer nach der vorliegenden Erfindung konstruierten
Gebläseschaufel
ist in 1, den 2a, 2b, 2c,
und 5 dargestellt. Wie oben erwähnt, haben die drei Darstellungen
nach den 2a, 2b und 2c ein Rechteckgitter
auf den Schaufelflächen,
um ihre Oberflächenkonturen
zu verdeutlichen. 5 zeigt in einer übergelagerten
bzw. gestapelten Darstellung 11 Schaufelsegmentprofile
S1 bis S11, die
mit gleichmäßig beabstandeten
radialen Höhen
vom Schaufelfuß zur
Schaufelspitze entnommen sind, um die Pfeilung, Neigung, Verdrehung
usw. der Schaufel in den elf aufeinanderfolgend größeren radialen
Höhen zu zeigen.
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Die
Rotorschaufel-Vorderkante 10 (2a) ist
von der Nabe 4 bzw. vom Fußsegment S1 (5) bis
zu einem vordersten Segment S5 in etwa mittiger Höhe vorwärts gepfeilt,
von wo aus die Vorderkante durch die Segmente S6 bis
S10 rückwärts gepfeilt
ist. Nahe der Schaufelspitze 16 (2a) wird
die Vorderkante gerade und ist dann vorwärts zur Schaufelspitze S11 gepfeilt. Zwischen den Segmenten S10 und S11 nimmt
die Sehnenlänge
des Tragflügelsegments
zu. Das Schaufelspitzensegment S11 ist vorderhalb
des Schaufelnabensegments S1 positioniert,
so daß die Stelle
in der Mitte zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Spitzensegments
axial stromauf eines entsprechenden Punkts im Nabensegment liegt.
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Der
Anstellwinkel bzw. die Verdrehung der Schaufelsegmente und ihre Änderung
mit der radialen Höhe
zwischen den Segmenten ergibt sich ebenfalls aus 5.
Im Vergleich mit einem bekannten herkömmlichen Gebläserotor ähnlicher
Abmessungen ist der Anstellwinkel der Segmente in mittiger Höhe verringert
und der Anstellwinkel der Spitzensegmente vergrößert. Dieses Merkmal erzeugt
eine ausgeprägte
Veränderung
der Luftstromverteilung über
der Spannweite einer Schaufel in der Höhenmitte mit dem Ergebnis,
daß der
Luftstrom durch die Bereiche in der Höhenmitte des Strömungskanals
vergrößert und
der Luftstrom durch die Spitzenbereiche verringert wird.
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Die
nach der Erfindung erzeugte unterschiedliche Luftstromverteilung
ist nur nahe dem Rotor und in axialer Richtung evident, d. h. innerhalb etwa
einer Sehnenlänge
stromauf der Vorderkante und einer ähnlichen Distanz stromab der
Hinterkante. Folglich wird der Luft strom in diesem Bereich sowohl von
der Nabe also auch von der Spitze weg abgelenkt und folgt einer
gekrümmten
Bahn in Richtung zur Kanalregion in Höhenmitte.
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Ferner
zu den oben beschriebenen Merkmalen wird die Stabilität der gepfeilten
Schaufel durch Anwenden nur mäßiger Pfeilungsmaße im Vergleich zu
früheren
Konstruktionen aufrecht erhalten, die zur Einstellung des Pfeilungswinkels
größer als
das Komplement des Machkonuswinkels an einer gegebenen Position
des Tragflügelsegments,
gewöhnlich der
Vorderkante, tendieren, obwohl andere zusätzliche Positionen, zum Beispiel
den Punkt minimalen statischen Drucks an der Saugseite, auch ins
Auge gefasst worden sind.
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Wie
oben erwähnt,
erzeugt jede Schaufel im Betrieb eine Stoßwellenfront, die bei Auslegungsdrehzahl
eine vorgegebene Distanz hinter der Vorderkante liegt. Auch auf
der Saugseite der Schaufel wirken die Segmentprofile zusammen, um
eine in Spannweitenrichtung verlaufende Linie von Punkten minimalen
statischen Drucks zu erzeugen. 6a zeigt
eine Grafik einer statischen Druckkontur auf der Saugseite einer
Gebläseschaufel
nach der Erfindung, und in den Luftstrombereichen unmittelbar stromauf
der Vorderkante 20 und stromab der Hinterkante 22.
Die elf Segmentprofile nach 5 sind durch
horizontale Linien S1 bis S11 angedeutet,
die so bezeichneten Linien sind parallel zur Luftstromrichtung,
die durch einen Pfeil angedeutet ist. Es treten Druckgradienten
in der Axial- bzw. Luftstromrichtung in Erscheinung, welche die
Verteilung der Linie von Punkten minimalen statischen Drucks in
Spannweitenrichtung aufzeigen und vor der Stoßwelle auf der Schaufelfläche den
abrupten Übergang
zwischen subsonischer und supersonischer Strömung markieren.
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6b zeigt
die entsprechenden Konturen der relativen Machtzahl für die Luftströmung über die Schaufelsaugfläche. Dies
zeigt deutlich die abrupten Übergänge an der
Schaufelvorderkante und der Schaufeloberfläche, wo die Kanaldruckwelle
die Oberfläche
trifft. Auf der links befindlichen Vertikalen Achse sind die ebenen
Abschnittszahlen S1 bis S11 als
Querverweis eingetragen.
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Die
oben beschriebene gepfeilte Schaufelkonstrution ist als beispielhafte
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Es versteht sich, daß die beschriebene Konstruktion
nicht die einzige gepfeilte Schaufelkonstruktion ist, welche die
in den folgenden Patentansprüchen
definierte Erfindung verkörpert. 7 enthält eine
Tafel, die Pfeilungswinkel, Machwinkel, d. h. der Winkel des Machkonus,
und die Machzahl sowohl für
die Linie der Punkte minimalen statischen Drucks als auch für die Schaufelvorderkante
an den Mittelpunkten jedes der Schaufelsegmente S1 bis
S11 zeigt.