EP1738061A1 - Verfahren zur auslegung einer niederdruckturbine eines flugtriebwerks sowie niederdruckturbine - Google Patents

Verfahren zur auslegung einer niederdruckturbine eines flugtriebwerks sowie niederdruckturbine

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EP1738061A1
EP1738061A1 EP05732126A EP05732126A EP1738061A1 EP 1738061 A1 EP1738061 A1 EP 1738061A1 EP 05732126 A EP05732126 A EP 05732126A EP 05732126 A EP05732126 A EP 05732126A EP 1738061 A1 EP1738061 A1 EP 1738061A1
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turbine
blade
stages
mode
limit
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/26—Antivibration means not restricted to blade form or construction or to blade-to-blade connections or to the use of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/10—Anti- vibration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a turbine, in particular a low-pressure turbine, a gas turbine, in particular an aircraft engine, according to the preamble of patent claim 1.
  • Gas turbines in particular aircraft engines, consist of several assemblies, namely among other things at least one compressor, preferably a low-pressure compressor and a high-pressure compressor, a combustion chamber and at least one turbine, in particular a high-pressure turbine and a low-pressure turbine.
  • the compressors and the turbines of the aircraft engine preferably comprise several stages, which are positioned axially one behind the other in the direction of flow. Each stage is formed by a fixed guide vane ring and a rotating rotor blade ring, the fixed guide vane ring having a plurality of fixed guide vanes and the rotating rotor blade ring having a plurality of rotating rotor blades.
  • Each of the stages is characterized by a parameter which indicates the ratio of the number of guide vanes to the number of rotor blades within the stage. This parameter is also known as the vane-to-blade ratio (V / B).
  • the low pressure turbine of an aircraft engine in particular is a noise source that should not be neglected.
  • the low-pressure turbine emits noise or noise, in particular, at frequencies that are an integral multiple of the so-called blade passing frequency (BPF).
  • BPF blade passing frequency
  • the so-called blade passing frequency of a stage is the frequency with which the rotating blades of the stage rotate past a fixed guide vane of the corresponding stage.
  • the present invention is based on the problem of creating a new type of turbine, in particular a low-pressure turbine, a gas turbine, in particular an aircraft engine.
  • a turbine in particular a low-pressure turbine, a gas turbine, in particular an aircraft engine, according to claim 1.
  • the present invention specifies a construction principle or design principle for the stages of a turbine, namely a low-pressure turbine, of an aircraft engine.
  • a low-pressure turbine comprises several stages, which are arranged axially one behind the other in the flow direction of the low-pressure turbine.
  • Each stage is formed by a fixed guide vane ring and a rotating rotor blade ring.
  • the guide vane ring has several fixed guide vanes, which are also known as Vanes.
  • the rotating blade ring of each stage has several rotating blades, which are also known as blades.
  • the present invention now specifies a construction principle or design principle with which the so-called vane-to-blade ratio of the stages of a low-pressure turbine can be adapted in such a way that the low-pressure turbine emits the lowest possible noise level or noise level, specifically in noise-critical operating conditions the turbine or the aircraft engine.
  • noise-critical operating conditions are e.g. B. a landing approach of an aircraft or a taxiing of the aircraft on a tarmac of an airport.
  • the noise emitted here is characterized by frequencies that are an integer multiple of the so-called blade passing frequency (BPF).
  • FIG. 1 shows a diagram 10 for a low-pressure turbine with a total of seven stages, with six of the seven guide vane rings V2 to V7 and the seven rotor blade rings Bl to B7 being plotted on the horizontal axis of the diagram 10.
  • the vane-to-blade ratio V / B is plotted on the vertical axis of the diagram 10.
  • the reference number 17 in FIG. 1 indicates the design principle known from the prior art for designing the vane-to-blade ratio of low-pressure turbines.
  • this is achieved by setting the vane-to-blade ratio V / B to a value of approximately 1.50 for these stages.
  • V / B For the stages positioned upstream (V2 to B4), however, a vane-to-blade ratio is used according to the prior art V / B selected from about 0.90.
  • such a vane-to-blade ratio lies within the range 15, so that according to the prior art there is no attenuation of sound waves with frequencies in the range of the blade passing frequency (BPF) in the upstream stages.
  • reference number 17 shows the construction principle or design principle known from the prior art for the configuration of the vane-to-blade ratio for the stages of the low-pressure turbine.
  • FIGS. 1 and 2 A particularly preferred design principle or construction principle for the vane-to-blade ratio for the stages of a low-pressure turbine is identified in FIGS. 1 and 2 by reference number 18. This is discussed in detail below.
  • the vane-to-blade ratio is preferably between 0.6 and 0.8, in particular in a range of approximately 0.7.
  • the vane-to-blade ratio V / B assumes a value in the range of the turbine stages arranged downstream, which is in a range between 1.3 and 1.5, preferably approximately 1.4 ,

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Abstract

Es wird eine Niederdruckturbine, einer Gasturbine vorgestellt. Die Turbine weist mehrere in Durchströmungsrichtung der Turbine axial hintereinander angeordneten Stufen auf, wobei jede Stufe von einem feststehenden, mehrere Leitschaufeln aufweisenden Leitschaufelkranz und einem rotierenden, mehrere Laufschaufeln aufweisenden Laufschaufelkranz gebildet ist, und wobei jede Stufe durch eine Kenngröße vane-to-blade-ratio charakterisiert ist, die das Verhältnis der Leitschaufelanzahl zur Laufschaufelanzahl innerhalb einer Stufe angibt. Eine der Stufen der Turbine ist derart ausgelegt, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe liegt.

Description

VERFAHREN ZUR AUSLEGUNG EINER NIEDERDRUCKTURBINE EINES FLUGTRIEBWERKS SOWIE NIEDERDRUCKTURBINE
Die Erfindung betrifft eine Turbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, bestehen aus mehreren Baugruppen, nämlich unter anderem aus mindestens einem Verdichter, vorzugsweise einem Niederdruckverdichter und einem Hochdruckverdichter, aus einer Brennkammer sowie aus mindestens einer Turbine, insbesondere einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine . Die Verdichter sowie die Turbinen des Flugtriebwerks umfassen dabei vorzugsweise mehrere Stufen, die in Durchströmungsrichtung axial hintereinander positioniert sind. Jede Stufe wird dabei von einem feststehenden Leitschaufelkranz sowie einem rotierenden Laufschaufelkranz gebildet, wobei der feststehende Leitschaufelkranz mehrere feststehende Leitschaufeln und der rotierende Laufschaufelkranz mehrere rotierenden Laufschaufein aufweist . Jede der Stufen wird durch eine Kenngröße charakterisiert, die das Verhältnis der Leitschaufelanzahl zur Laufschaufelanzahl innerhalb der Stufe angibt . Diese Kenngröße wird auch als vane-to-blade-ratio (V/B) bezeichnet.
Insbesondere die Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks ist eine nicht zu vernachlässigende Lärmquelle. So strahlt die Niederdruckturbine Geräusche bzw. Lärm insbesondere bei Frequenzen ab, die ein ganzzahliges Vielfaches der sogenannten blade-passing-frequency (BPF) sind. Die sogenannte blade-passing-frequency einer Stufe ist die Frequenz, mit welcher die rotierenden Laufschaufeln der Stufe an einer feststehenden Leitschaufel der entsprechenden Stufe vorbei rotieren.
Zur Minimierung der Lärmabstrahlung bzw. Geräuschabstrahlung der Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, das vane-to-blade-ratio von stromabwärts positionierten Stufen der Niederdruckturbine auf einen Wert von ca. 1,5 zu legen, um so den Lärm bei der blade-passing-frequency zu dämpfen. Trotz dieser aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahme strahlen die aus dem Stand der Technik bekannten Niederdruckturbinen von Flugtriebwerken in lärmkritischen Betriebsbedingungen, insbesondere beim Landeanflug oder bei der Fortbewegung des Flugzeugs auf einem Rollfeld eines Flughafens, immer noch einen hohen Lärmpegel bzw. Geräuschpegel ab. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde eine neuartige Turbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, zu schaffen.
Dieses Problem wird durch eine Turbine, insbesondere eine Niederdruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist mindestens eine der Stufen der Turbine derart ausgelegt, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkri ischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade- passing-frequency (BPF) dieser Stufe liegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzip für eine Turbine eines Flugtriebwerks ist es möglich, den von der Turbine abgestrahlten Lärmpegel bzw. Geräuschpegel deutlich zu minimieren. So kann mit Hilfe der hier vorliegenden Erfindung die Abstrahlung von Lärm bzw. Geräuschen im Bereich der sogenannten blade-passing-frequency (BPF) deutlich reduziert werde .
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine der Stufen der Turbine derart ausgelegt, dass die Kenngröße vane-to- blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe liegt.
Mit Hilfe dieser bevorzugten Weiterbildung 3er hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, auch die Abstrahlung von Geräuschen bzw. Lärm mit Frequenzen zu minimieren, die dem Zweifachen der sogenannten blade- passing-frequency entsprechen.
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade- passing-frequency (BPF) dieser Stufe liegt, und weiterhin ist zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio dersel- ben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing- frequency (2BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe liegt.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert . Dabei zeigt :
Fig. 1 ein Diagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Auslegung des vane-to-blade-ratio der Stufen einer Turbine im Hinblick auf die Moden k=-l und k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) ; und
Fig. 2 ein Diagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Auslegung des vane-to-blade-ratio der Stufen einer Turbine im Hinblick auf die Moden k=-l, k=-2 und k=-3 der zweifachen blade-passing- frequency (2BPF) .
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 im größeren Detail beschrieben.
Die hier vorliegende Erfindung gibt ein Konstruktionsprinzip bzw. Designprinzip für die Stufen einer Turbine, nämlich einer Niederdruckturbine, eines Flugtriebwerks an. Eine derartige Niederdruckturbine umfasst mehrere Stufen, die in Durchströmungsrichtung der Niederdruckturbine axial hintereinander angeordnet sind. Jede Stufe wird von einem feststehenden Leitschaufelkranz sowie einem rotierenden Laufschaufelkranz gebildet. Der Leitschaufelkranz verfügt über mehrere feststehende Leitschaufeln, die auch als Vanes bezeichnet werden. Der rotierende Laufschaufelkranz einer jeden Stufe verfügt über mehrere rotierende Laufschaufein, die auch als blades bezeichnet werden. Die hier vorliegende Erfindung gibt nun ein Konstruktionsprinzip bzw. Designprinzip an, mit welchem das sogenannte vane-to-blade-ratio der Stufen einer Niederdruckturbine derart angepasst werden kann, dass die Niederdruckturbine einen möglichst geringen Lärmpegel bzw. Geräuschpegel abstrahlt, und zwar in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine bzw. des Flugtriebwerks. Bei solchen lärmkritischen Betriebsbedingungen handelt es sich z. B. um einen Landeanflug eines Flugzeugs oder um ein Rollen des Flugzeugs auf einem Rollfeld eines Flughafens. Der hierbei abgestrahlte Lärm ist durch Frequenzen gekennzeichnet, die ein ganzzahliges Vielfaches der sogenannten blade-passing- frequency (BPF) sind. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Stufe der Niederdruckturbine derart ausgelegt, dass in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine das vane-to-blade-ratio (V/B) zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade- passing-frequency (BPF) dieser Stufe liegt.
Figur 1 zeigt ein Diagramm 10 für eine Niederdruckturbine mit insgesamt sieben Stufen, wobei auf der horizontal verlaufenden Achse des Diagramms 10 sechs der sieben Leitschaufelkränze V2 bis V7 sowie die sieben Laufschaufelkränze Bl bis B7 aufgetragen sind. Auf der vertikal verlaufenden Achse des Diagramms 10 ist das vane-to-blade-ratio V/B aufgetragen. Mit der Bezugsziffer 11 ist in Figur 1 eine untere cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency bezeichnet, mit der Bezugsziffer 12 ist die obere cut-off Grenze für die Mode k=-l dieser blade-passing- frequency beziffert. Oberhalb der oberen cut-off Grenze 12 sowie unterhalb der unteren cut-off Grenze 11 wird die Mode k=-l der blade-passing- frequency (BPF) gedämpft. In dem Bereich 15 hingegen, der zwischen der unteren cut-off Grenze 11 und der oberen cut-off Grenze 12 für die Mode k=-l der blade-passing-frequency liegt, findet hingegen eine nahezu ungedämpfte Ausbreitung der Mode k=-l der blade-passing-frequency statt. Mit der Bezugsziffer 13 ist in Figur 1 eine untere cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency beziffert. Mit der Bezugsziffer 14 ist die obere cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing- frequency gekennzeichnet. Demnach erfolgt in dem Bereich 16 zwischen der unteren cut-off Grenze 13 und der oberen cut-off Grenze 14 für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) eine nahezu ungedämpfte Ausbreitung der Mode k=-2, wobei unterhalb der unteren cut-off Grenze 13 sowie oberhalb der oberen cut-off Grenze 14 für die Mode k=-2 eine gute Dämpfung derselben erzielt wird.
Mit der Bezugsziffer 17 ist in Figur 1 das aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktionsprinzip zur Auslegung des vane-to-blade-ratio von Niederdruckturbinen beziffert. So wird gemäß der Kurve 17 das vane-to- blade-ratio der stromabwärts positionierten Stufen (V5 bis B7) so gewählt, dass dasselbe für die stromabwärts positionierten Stufen oberhalb der oberen cut-off Grenze 12 für die Mode k=-l der blade-passing- frequency liegt. Dies wird nach dem Stand der Technik dadurch erreicht, dass für diese Stufen das vane-to-blade-ratio V/B auf einen Wert von in etwa 1,50 gesetzt wird. Für die stromaufwärts positionierten Stufen (V2 bis B4) wird hingegen nach dem Stand der Technik ein vane-to-blade-ratio V/B von in etwa 0,90 gewählt. Ein derartiges vane-to-blade-ratio liegt jedoch innerhalb des Bereichs 15, so dass nach dem Stand der Technik in den stromaufwärts positionierten Stufen keine Dämpfung von Schallwellen mit Frequenzen im Bereich der blade-passing-frequency (BPF) erfolgt.
Ein weiteres Problem des aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionsprinzips 17 ergibt sich aus Figur 2 , in der die Ausbreitungschrakte- ristika bzw. Dämpfungscharakteristika der Moden k=-l, k=-2 sowie k=-3 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) betrachtet werden. So ist im Diagramm 19 der Figur 2 mit der Bezugsziffer 20 die untere cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) beziffert. Die obere cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade- passing-frequency (2BPF) ist in Figur 2 mit der Bezugsziffer 21, die untere cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing- frequency (2BPF) ist in Figur 2 mit der Bezugsziffer 22 beziffert. Im Bereich 23 der Figur 2, der zwischen der oberen cut-off Grenze 21 und der unteren cut-off Grenze 22 für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing- frequency (2BPF) verläuft, erfolgt demnach eine nahezu ungedämpfte Ausbreitung der Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) . Weiterhin ist in Figur 3 ein entsprechender Bereich 24 für die Mode k=-3 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) visualisiert, der zwischen einer oberen cut-off Grenze 25 und einer unteren cut-off Grenze 26 für die Mode k=-3 der zweifachen blade-passing-frequency liegt.
In Figur 2 ist mit der Bezugsziffer 17 wieder das aus dem Stand der Technik bekannte Konstruktionsprinzip bzw. Designprinzip zur Auslegung des vane-to-blade-ratio für die Stufen der Niederdruckturbine eingezeichnet. So kann Figur 2 unmittelbar entnommen werden, dass für das aus dem Stand der Technik bekannt Konstruktionsprinzip das vane-to-blade-ratio V/B im Bereich der stromabwärts positionierten Stufen (V5 bis B7) oberhalb der unteren cut-off Grenze 20 für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing- frequency liegt. Es findet demnach nach dem Stand der Technik keine Dämpfung der Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency im Bereich der stromabwärtigen Stufen statt. Weiterhin liegt im Bereich der stromaufwär- tigen Stufen (VI bis B4) das vane-to-blade-ratio V/B dieser Stufen im Bereich 23, woraus folgt, dass für diese Stufen keine Dämpfung der Mode k=- 2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) erfolgt.
Ein besonders bevorzugtes Designprinzip bzw. Konstruktionsprinzip für das vane-to-blade-ratio für die Stufen einer Niederdruckturbine ist in Figuren 1 und 2 mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet. Hierauf wird nachfolgend im Detail eingegangen. Wie insbesondere Figur 1 entnommen werden kann, sind die in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen (V2 bis B4) der Turbine derart ausgelegt, dass das vane-to-blade-ratio V/B derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen der unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) und der oberen cut-off Grenze 14 für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) liegt. Im Bereich dieser Stufen liegt das vane-to-blade-ratio vorzugsweise zwischen 0,6 und 0,8, insbesondere in einem Bereich von in etwa 0,7. Im Bereich der stromaufwärts angeordneten Stufen wird das vane-to-blade- ratio V/B demnach in einen Korridor zwischen der unteren cut-off Grenze 11 der Mode k=-l der blade-passing-frequency und der oberen cut-off Grenze 14 der Mode k=-2 der blade-passing-frequency gelegt. Demnach erfolgt im Bereich dieser Stufen eine gute Dämpfung der Moden k=-l und k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) .
Im Bereich der stromabwärts positionierten Stufen (V5 bis B7) der Niederdruckturbine ist gemäß Figur 1 das vane-to-blade-ratio derselben in einen Bereich oberhalb der oberen cut-off Grenze 12 der Mode k=-l der blade- passing-frequency gelegt. Weiterhin ist das vane-to-blade-ratio für diese Stufen derart ausgewählt, dass dasselbe gemäß Figur 2 im Bereich dieser Stufen zwischen der unteren cut-off Grenze 20 der Mode k=-l und der oberen cut-off Grenze 21 der Mode k=-2 der zweifachen blade-passing- frequency (2BPF) liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Bereich der stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine das vane-to-blade-ratio V/B einen Wert annimmt, der in einem Bereich zwischen 1,3 und 1,5 liegt, vorzugsweise in etwa 1,4 beträgt.
Weiterhin kann Figur 2 entnommen werden, dass durch das bereits im Zusammenhang mit Figur 1 diskutierte vane-to-blade-ratio V/B für die stromaufwärts positionierten Stufen (V2 bis B4) , welches vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,8 liegt, erzielt werden kann, dass dasselbe außerhalb des Bereichs 23 liegt, in welchem sich die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) nahezu ungedämpft ausbreiten kann. Vielmehr ist für diese Stufen in den Bereich 23 der unkritischeren Mode k=-3 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) gelegt.
Aus dem oben beschriebenen Konstruktionsprinzip bzw. Designprinzip für das vane-to-blade-ratio der Stufen einer Niederdruckturbine folgt unmittelbar, dass mit der hier vorliegenden Erfindung die Moden k=-l und k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) und die Moden k=-l und k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) gedämpft werden können. Demnach ist eine derart konstruierte Turbine durch eine geringe Schallabstrahlung von Frequenzen im Bereich der blade-passing-frequency sowie zweifachen blade- passing-frequency gekennzeichnet. Mit der hier vorliegenden Erfindung ist es möglich, alle Stufen einer Niederdruckturbine so zu gestalten, dass die Niederdruckturbine ein optimales Geräuschverhalten aufweist.
Wie bereits erwähnt, zeigen Figuren 1 und 2 lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, dass es im Sinne der hier vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch möglich ist, dass vane-to-blade-ratio für alle Stufen der Niederdruckturbine so zu wählen, dass dasselbe zwischen einer unteren cut- off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) der jeweiligen Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade- passing-frequency (BPF) der jeweiligen Stufe liegt.
Auch ist es möglich, für die stromaufwärts positionierten Stufen das vane-to-blade-ratio so zu bestimmen, dass dasselbe für die stromaufwärts positionierten Stufen zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) und einer oberen cut- off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) liegt, für die stromabwärts positionierten Stufen hingegen zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing- frequency (BPF) und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) liegt. Auch bei derart ausgestalteten Niederdruckturbinen ist eine gute Dämpfung der Schallausbreitung und damit eine Geräuschminimierung bzw. Lärmminimierung der Niederdruckturbine möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Turbine, insbesondere Niederdruckturbine, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit mehreren in Durchströmungsrichtung der Turbine axial hintereinander angeordneten Stufen, wobei jede Stufe von einem feststehenden, mehrere Leitschaufeln aufweisenden Leitschaufelkranz und einem rotierenden, mehrere Laufsc aufeln aufweisenden Laufschaufelkranz gebildet ist, und wobei jede Stufe durch eine Kenngröße vane-to-blade-ratio charakterisiert ist, die das Verhältnis der Leitschaufelanzahl zur Laufschaufelanzahl innerhalb einer Stufe angibt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing- frequency (BPF) dieser Stufe liegt.
2. Turbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) dieser Stufe liegt.
3. Turbine nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio dieser Stufe zwischen 0,6 und 0,8 liegt.
4. Turbine nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio dieser Stufe in etwa 0,7 beträgt .
5. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe liegt.
Turbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) dieser Stufe und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade- passing-frequency (2BPF) dieser Stufe liegt.
Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der in Durchströmungsrichtung stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt ist, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio dieser Stufe zwischen 1,3 und 1,5 liegt.
Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße vane-to-blade-ratio dieser Stufe in etwa 1,4 beträgt .
Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt sind, dass die Kenngrößen vane-to- blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der blade-passing-frequency (BPF) und einer oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der blade-passing-frequency (BPF) der jeweiligen Stufe liegt, -und dass weiterhin die in Durchströmungsrichtung stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt sind, dass die Kenngrößen vane-to-blade-ratio derselben in lärmkritischen Betriebsbedingungen der Turbine zwischen einer unteren cut-off Grenze für die Mode k=-l der zweifachen blade-passing-frequency (2BPF) und ei- ner oberen cut-off Grenze für die Mode k=-2 der zweifachen blade- passing-frequency (2BPF) der jeweiligen Stufe liegt.
10. Turbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in Durchströmungsrichtung stromaufwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt sind, dass die Kenngrößen vane-to- blade-ratio dieser Stufen zwischen 0,6 und 0,8 - vorzugsweise bei in etwa 0,7 - liegen, und dass weiterhin die in Durchströmungsrichtung stromabwärts angeordneten Stufen der Turbine derart ausgelegt sind, dass die Kenngrößen vane-to-blade-ratio dieser Stufen zwischen 1,3 und 1,5 - vorzugsweise bei in etwa 1,4 - liegen.
EP05732126A 2004-04-02 2005-03-11 Verfahren zur auslegung einer turbine eines flugtriebwerks Expired - Fee Related EP1738061B1 (de)

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