EP2304187A1 - Axialturbomaschine mit geringen spaltverlusten - Google Patents

Axialturbomaschine mit geringen spaltverlusten

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EP2304187A1
EP2304187A1 EP09797510A EP09797510A EP2304187A1 EP 2304187 A1 EP2304187 A1 EP 2304187A1 EP 09797510 A EP09797510 A EP 09797510A EP 09797510 A EP09797510 A EP 09797510A EP 2304187 A1 EP2304187 A1 EP 2304187A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
axial turbomachine
annular space
curvature section
radial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09797510A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Kröger
Eberhard Nicke
Christian Voss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to EP09797510A priority Critical patent/EP2304187A1/de
Publication of EP2304187A1 publication Critical patent/EP2304187A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • 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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
    • F01D5/143—Contour of the outer or inner working fluid flow path wall, i.e. shroud or hub contour
    • 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
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/70—Shape
    • F05D2250/71—Shape curved
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to an axial turbomachine which has low gap losses.
  • An axial turbomachine includes a housing and a rotor surrounded by the housing.
  • the rotor has a hub contour which, together with the inner contour of the housing, forms a flow channel through the axial turbomachine.
  • the rotor has a plurality of rotor stages, each formed by a blade grid.
  • the blade lattices have a plurality of rotor blades, each of which is fastened with its one end on the hub side to the rotor and with its other end radially to the rear show outside. At this other end of the blade, a blade tip is formed, which faces the inside of the housing and is disposed immediately adjacent.
  • each blade tip and the inside of the housing is formed as a radial gap which is dimensioned such that on the one hand the blades do not touch the housing during operation of the axial turbomachine and, on the other hand, the leakage flow through the radial gap that occurs during operation of the axial turbomachine is as low as possible , In order for the axial turbomachine to have a high degree of efficiency, it is desirable for the leakage flow through the radial gap to be as low as possible.
  • the housing is filigree designed to have the lowest possible weight.
  • the rotor is massively designed to withstand the pressure and temperature stresses during operation of the axial turbomachine can.
  • the blades are less massive compared to the rotor and are mounted on the rotor.
  • the inside of the housing and the blades are in contact with hot gas, the housing having large-area contact with the hot gas on its inside.
  • the housing is filigree than the rotor, the rotor heats up more slowly than the housing.
  • the rotor and the housing have different réelledehnungsgeschwndtechniken, so that when starting and stopping the axial turbomachine, the height of the radial gap formed between the blade tips of the blades and the inside of the housing , changes. It turns when starting the radial gap as large and when driving off as a small.
  • the radial gap is provided with such a dimensioned minimum height that during Shutting down the axial turbomachine, the blade tips almost never touch the housing. This has the consequence that a correspondingly dimensioned radial gap is kept at the blade tips.
  • the radial gap should be designed so large that a reduction in the power density and the efficiency of the axial turbomachine caused by the leakage flow keeps within acceptable limits.
  • Modern blades have a very high aerodynamic efficiency, which is achieved by a high pressure load of the blades. Caused by this high pressure load, the leakage flow through the radial gap is particularly strong, so that the total efficiency of the blade is greatly affected by the leakage flow. Especially with blades with small height and large radial gaps about 50% of the total loss of the blades is caused by the leakage flow. A reduction in the leakage flow causes an improvement in the overall efficiency of the blade.
  • Another blade tip contoured in the direction of the span of the blade is known from EP 675 290 A2.
  • the blade tip and the opposite channel wall are contoured to each other corresponding to each other, wherein the channel wall having a circumferential recess and the blade tip having a radial tip extension adapted to the recess.
  • the object of the invention is to provide an axial turbomachine, which has a high aerodynamic efficiency. Another object of the invention is to provide a blade thereto.
  • the axial turbomachine according to the invention has a blade grid according to the features of claim 1.
  • the profiling of the blade of the axial turbomachine according to the invention may be conventional.
  • the radial elevations of the blade extend parallel to the radial recess of the annular space inside in the main flow direction of the axial turbomachine, so that the radial gap has a uniform and multi-wavy course.
  • the annular space inside and blade tip formed in the manner of a double shaft - and accordingly also the radial gap - each comprise at least four curved sections delimited by inflection points, the curves of adjacent curved sections having different signs.
  • the gap which is constant in its gap has a uniform, not abruptly changing course along the main flow direction, so that the flow in the region of the blade tip has low losses.
  • the mass flow of the leakage flow and its unfavorable effect on the overall efficiency of the blade lattice are advantageously reduced. This results in having to provide without additional design measures, an improved aerodynamic quality of the blade.
  • the radial distance of the radial recess to the envelope of the blade tips along the main flow direction of the axial turbomachine is constant.
  • the first curvature section is located in the region of the annular space inner side, which is opposite to the region of a front half of the chordail of the airfoil tip viewed from the front edge.
  • the maximum of the first radial recess is located in the region or in that point, which is at 10% to 30%, preferably at 20%, the profile chord viewed from the front edge of view.
  • the curved sections are shaped in such a way that in the main flow direction of the axial turbomachine the course of the radial gap runs substantially edge-free and without steps.
  • more than four curved sections, both in the annular space inside and at the blade tip, may be provided in order to reduce the leakage flow through the radial gap.
  • a further section is provided on the annular space inside or on the blade tip, whose course is straight in the main flow direction of the axial turbomachine.
  • the further portion (s) in the main flow direction of the axial turbomachine is conical.
  • the first inflection point at 5% to 15%, preferably at 10%, the chord length of the blade and / or the bottom of the radial recess at 15% to 25%, preferably at 20%, which is located chord length of the blade.
  • the contour of the blade tip and the opposing annular space inside are always corresponding, so that both contours are identical to describe.
  • the axial turbomachine is preferably a compressor in a stationary gas turbine, in an aircraft engine, in a process compressor, in a fan, in a fan, in a steam pressure turbine, in a hydraulic turbine and / or in a pump.
  • Fig. 1 is a side view of a housing portion of a first
  • Fig. 2 is a perspective view of a blade tip of
  • Fig. 3 is a side view of the first and a second embodiment of a housing of the axial compressor according to the invention.
  • Fig. 4 shows another embodiment of a Ringraumwandung with a correspondingly adapted contour of the blade tip.
  • an axial compressor 1 has a rotor 2 having a blade lattice formed by a plurality of Blades 3 is formed. Seen in Figures 1 and 3, the axial compressor
  • the axial compressor 1 has a first stator 4 upstream of the rotor blade 3 and a second stator 5 downstream of the rotor blade 3.
  • the first stator 4 is formed by a plurality of first vanes 6 and the second stator 5 is formed by a plurality of second vanes 7.
  • the blade 3 has at its upstream end a leading edge 8 and at its downstream end facing a trailing edge 9, wherein the one side between the front edge 8 and the rear edge 9, the pressure side 10 and the other side between the front edge 8 and the trailing edge.
  • the rotor blade 3 is surrounded radially on the outside by an annular space wall 13, wherein the annular space wall 13 has an annular space inner side 14, which faces the rotor blade 3.
  • the blade 3 is attached to its radially inner longitudinal end and free-standing with its radially outer longitudinal end, wherein at the freestanding end of a blade tip 15 is formed. Between the annular space inside 14 and the blade tip 15, a gap 16 is provided.
  • the blade tip 15 is provided on its side facing the annular space 14 side with a radial elevation 18, the maximum radial extent is located at 20% of the chord length of the chord 3 bucket.
  • a radial depression 17 is provided in the annular space wall 13 on the annular space inside 14, which is shown in FIG and 3 as seen from left to right runs parallel to the radial elevation 18.
  • the radial recess 17 has a base 12, which is arranged radially outside at the height of the maximum radial extent of the radial elevation 18.
  • the radial recess 17 is formed circumferentially in the annular space wall 13. As a result, when the rotor 2 rotates about the rotation axis 28, each blade 3 with its radial elevation 18 can rotate into the radial recess 17 in an engaging manner.
  • the radial recess 17 and, analogously, the radial elevation 18 of a first embodiment of four curved sections 19, 21, 23, 25 are formed, wherein the curved sections 19, 21, 23, 25 each have a curvature, wherein the sign the curvatures of curvature section to curvature section changes.
  • the curved sections 19, 21, 23, 25 are arranged lying one behind the other, wherein the first curved section 19 is delimited from the second curved section 21 by a first turning point 20.
  • the second curvature portion 22 is separated from the third curvature portion 23 by a second inflection point 22.
  • the third curvature section 23 is delimited from the fourth curvature section 25 by a third inflection point 24. Due to the successive arrangement of the curved portions 19, 21, 23, 25 and the intermediate inflection points 20, 22, 24, the gap 16 between the blade tip 15 and the annular space inside 14 is formed like a wave.
  • Fig. 2 the radial boundary of a conventional blade tip is shown with the line 27, so that the radial projection caused by the provision of the radial projection 18 is clear.
  • Fig. 3 the course of the annulus inner side 14 is shown in relation to a rotation axis 28 of the axial compressor 1 according to the first embodiment.
  • the course of the annular space inner side 14, at least in that region which is opposite the airfoil tip 15, is conical and thus rectilinear in order to obtain a channel contraction.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an annular space wall 13 with a correspondingly adapted contour of the blade tip 15, in which numerous further curved sections 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35 are provided behind an upstream first curved section 19.
  • Adjacent curvature sections are ⁇ nvers curved to each other. This means that when one curvature section is concavely curved, the next following curvature section is convexly curved, and vice versa. Concave and convex curvature sections alternate. Between them there is a turning point W1, W2, W3, W4, W5, W6, W7, W8.
  • the chord of the Ringraumwandung 13 is designated 40.
  • the chord falls from the inflow end to the discharge end of the flow channel.
  • the central axis of the annular space bounded by the annular space 13 is designated A.
  • the terms maximum and minimum are based on this axis A.
  • the largest maximum, which is referred to as the main maximum, is located in the curved section 21. It is the first maximum within the axial length of the blade. This is followed by smaller maxima in the curvature sections 25, 29 and 33.
  • the second curvature portion 21 thus forms, with respect to the axis A of the annular space wall 13 and the blade, the main maximum. Every second of the following curvature sections, namely the curvature sections 25, 29 and 33, forms another maximum of smaller amplitude than the main maximum.
  • the amplitudes of the maxima preferably fall off according to a second-order function, according to the formula
  • Y forms the amplitude (perpendicular to axis A)
  • X the position along axis A
  • c and b are constant coefficients
  • C is a constant.
  • the coefficients c and b are not equal to zero.
  • the moving blade 3 is not yet located in the first curved section 19. This starts only at the first turning point W 1. Consequently, the first curvature portion 19 refers exclusively to the annular space wall 13 which is convexly curved in this curvature portion. In the region of the first inflection point W1 there is an increase and then the main maximum follows with a subsequent decrease to the inflection point W2.
  • the embodiment of Figure 4 is particularly, but not exclusively, suitable for operating in the transonic region front stage of a multi-stage gas turbine. By disturbing the resulting during overflow of the blade tip vortex of the efficiency of the axial turbomachine is increased.

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Abstract

Eine Axialturbomaschine (1) weist ein Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln (3) mit jeweils einer Vorderkante (8) und einer radial außenliegenden, freistehenden Schaufelspitze (15) gebildet ist, und eine das Laufschaufelgitter ummantelnde Ringraumwandung (13) mit einer Ringrauminnenseite (14) auf, mit der die Ringraumwandung (13) unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen (15) unter Ausbildung eines Radialspalts (16) zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen (15) und der Ringrauminnenseite (14) angeordnet ist, wobei die Laufschaufeln (3) an ihrer Schaufelspitze (15) im Bereich ihrer Vorderkanten (8) jeweils eine Radialerhebung (18) aufweisen sowie die Ringraumwandung (13) an der Ringrauminnenseite (14) eine umlaufende Radialvertiefung (17) aufweist, die im Radialabstand (16) zu der Einhüllenden der Schaufelspitzen (15) angeordnet ist, so dass entlang der Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) der Verlauf der Radialerhebungen an deren dem Radialspalt (16) zugewandten Seiten dem Verlauf der Radialvertiefung nachempfunden ist.

Description

Axialturbomaschine mit geringen Spaltverlusten
Die Erfindung betrifft eine Axialturbomaschine, die geringe Spaltverluste hat.
Eine Axialturbomaschine weist ein Gehäuse und einen Rotor auf, der von dem Gehäuse umgeben ist. Der Rotor weist eine Nabenkontur auf, die zusammen mit der Innenkontur des Gehäuses einen Strömungskanal durch die Axialturbomaschine bildet. Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorstufen auf, die jeweils von einem Laufschaufelgitter gebildet sind. Die Laufschaufelgitter weisen eine Mehrzahl von Laufschaufeln auf, die jeweils mit ihrem einen Ende nabenseitig an dem Rotor befestigt sind und mit ihrem anderen Ende radial nach außen zeigen. An diesem anderen Ende der Laufschaufel ist eine Schaufelspitze ausgebildet, die der Innenseite des Gehäuses zugewandt und unmittelbar benachbart angeordnet ist. Der Abstand zwischen jeder Schaufelspitze und der Innenseite des Gehäuses ist als ein Radialspalt ausgebildet, der derart dimensioniert ist, dass einerseits die Schaufelspitzen beim Betrieb der Axialturbomaschine an das Gehäuse nicht anstreifen und andererseits die beim Betrieb der Axialturbomaschine sich einstellende Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist. Damit die Axialturbomaschine einen hohen Wirkungsgrad hat, ist es wünschenswert, dass die Leckageströmung durch den Radialspalt möglichst gering ist.
Ist die Axialturbomaschine in einem Flugtriebwerk eingebaut, ist das Gehäuse filigran konstruiert, um ein möglichst geringes Gewicht zu haben. Dagegen ist der Rotor massiv konstruiert, um den Druck- und Temperaturbeanspruchungen beim Betrieb der Axialturbomaschine standhalten zu können. Die Laufschaufeln sind im Vergleich zu dem Rotor weniger massiv ausgeführt und sind an den Rotor montiert.
Beim Betrieb der Axialturbomaschine stehen die Innenseite des Gehäuses und die Laufschaufeln mit heißem Gas in Kontakt, wobei das Gehäuse an seiner Innenseite einen großflächigen Kontakt mit dem heißen Gas hat. Dadurch, dass das Gehäuse filigraner als der Rotor ausgebildet ist, erwärmt sich der Rotor langsamer als das Gehäuse. Dies hat zur Folge, dass zum An- und Abfahren der Axialturbomaschine der Rotor und das Gehäuse unterschiedliche Wärmeausdehnungsgeschwϊndigkeiten haben, so dass sich beim An- und Abfahren der Axialturbomaschine die Höhe des Radialspalts, der zwischen den Schaufelspitzen der Laufschaufeln und der Innenseite des Gehäuses ausgebildet ist, ändert. Dabei stellt sich beim Anfahren der Radialspalt als groß und beim Abfahren als klein ein. Damit beim Abfahren die Schaufelspitzen der Laufschaufeln nicht an das Gehäuse anstreifen und beschädigt werden, ist der Radialspalt mit einer derart dimensionierten Minimalhöhe versehen, dass beim Abfahren der Axialturbomaschine die Schaufelspitzen das Gehäuse so gut wie nie berühren. Dies hat zur Folge, dass an den Schaufelspitzen ein entsprechend dimensionierter Radialspalt vorgehalten ist. Andererseits soll insbesondere beim Anfahren der Axialturbomaschine der Radialspalt nur so groß ausgebildet sein, dass eine Reduktion der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads der Axialturbomaschine hervorgerufen durch die Leckageströmung sich in hinnehmbaren Grenzen hält.
Moderne Laufschaufeln haben eine sehr hohe aerodynamische Effizienz, die durch eine hohe Druckbelastung der Laufschaufeln erreicht ist. Hervorgerufen durch diese hohe Druckbelastung ist die Leckageströmung durch den Radialspalt besonders stark ausgebildet, so dass durch die Leckageströmung der Gesamtwirkungsgrad der Laufschaufel stark beeinträchtigt ist. Insbesondere bei Laufschaufeln mit kleiner Bauhöhe und großen Radialspalten wird etwa 50% des Gesamtverlusts der Laufschaufeln durch die Leckageströmung verursacht. Eine Reduktion der Leckageströmung bewirkt eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads der Laufschaufel.
Herkömmlich ist bekannt, die Leckageströmung beispielsweise durch eine "active-clearance-controP'-Einrichtung zu verringern. Bei der "active-clearance- control"-Einrichtung wird das Gehäuse beim Anfahren gekühlt und beim Abfahren erwärmt, so dass die Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit des Gehäuses an die der Laufschaufeln angeglichen ist. Ferner ist eine besondere Formgebung der Schaufelspitzen bekannt, wie beispielsweise aus der US 4,738,586 das Ausbilden einer klingenförmigen Schaufelspitze, zur Reduktion der Leckageströmung.
Eine weitere sich in Richtung der Spannweite der Laufschaufel konturierte Schaufelspitze ist aus der EP 675 290 A2 bekannt. Die Schaufelspitze und die gegenüberliegende Kanalwand sind zueinander korrespondierend konturiert, wobei die Kanalwand eine umlaufende Vertiefung und die Schaufelspitze eine zur Vertiefung passende radiale Spitzenverlängerung aufweisen. Durch diese Maßnahme kann eine schnelle Reduzierung der Gasgeschwindigkeit im Bereich der Vertiefung erreicht werden, wodurch die Stärke von Schockwellen geschwächt wird.
Eine weitere Schaufelspitzenkonturierung und Kanalwandkonturierung geht aus der FR 996967 hervor.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Axialturbomaschine zu schaffen, die einen hohen aerodynamischen Wirkungsgrad hat. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Laufschaufel dazu.
Die erfindungsgemäße Axialturbomaschine weist ein Laufschaufelgitter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 auf.
Die Profilierung der Laufschaufel der erfindungsgemäßen Axialturbomaschine kann herkömmlicher Art sein. Die Radialerhebungen der Laufschaufel verlaufen parallel zu der Radialvertiefung der Ringrauminnenseite in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine, so dass der Radialspalt einen gleichmäßigen und mehrfach gewellten Verlauf hat. Die nach Art einer Doppelwelle ausgebildete Ringrauminnenseite und Schaufelblattspitze - und dementsprechend auch der Radialspalt - umfassen jeweils zumindest vier durch Wendepunkte abgegrenzte Krümmungsabschnitte, wobei die Krümmungen benachbarter Krümmungsabschnitte unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Dadurch wird die Leckageströmung, die sich im Betrieb der Axialturbomaschine durch den Radialspalt einstellt, wechselweise beschleunigt und verzögert. Durch die Beschleunigung und Verzögerung wird die Überströmgeschwindigkeit und die Richtung der Leckageströmung so verändert, dass ein Spaltwirbel, der beim Vermischen der Leckageströmung mit der Hauptströmung sich ausbildet, in der Entstehungsphase und im Wachstum gehindert ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Strömung durch das Laufschaufelgitter homogen und verlustarm ist, wodurch der Wirkungsgrad des Laufschaufelgitters und somit der Axialturbomaschine hoch ist.
Der in seinem Spaltmaß konstante Spalt hat entlang der Hauptströmungsrichtung einen gleichmäßigen, sich nicht abrupt ändernden Verlauf, so dass die Strömung im Bereich der Schaufelspitze verlustarm ist.
Hervorgerufen durch den verminderten Einfluss der Leckageströmung auf die Hauptströmung ist zusätzlich die Arbeitsumsetzung der Laufschaufel hoch und die Anströmung einer stromab der Laufschaufel liegenden Leitschaufel verbessert. Dadurch ist eine Fehlanströmung dieser Leitschaufel reduziert und/oder die Leitschaufel kann eine einfachere Form haben.
Vorteilhaft ist der Massenstrom der Leckageströmung und deren ungünstige Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad des Laufschaufelgitters reduziert. Dadurch ergibt sich, ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorsehen zu müssen, eine verbesserte aerodynamische Güte des Laufschaufelgϊtters.
Dabei ist der Radialabstand der Radialvertiefung zu der Einhüllenden der Schaufelspitzen entlang der Hauptströmungsrichtung der Axialturbomaschine konstant.
Ferner ist es bevorzugt, dass der erste Krümmungsabschnitt in demjenigen Bereich der Ringrauminnenseite angesiedelt ist, welcher dem Bereich einer vorderen Hälfte der Profilsehne der Schaufelblattspitze von der Vorderkante aus gesehen gegenüberliegt. Außerdem ist es bevorzugt, dass das Maximum der ersten Radialvertiefung in demjenigen Bereich bzw. in demjenigen Punkt angesiedelt ist, welcher bei 10% bis 30%, bevorzugt bei 20%, der Profilsehne von der Vorderkante aus gesehen gegenüberliegt. Somit ist vorteilhaft die Radialerhebung und die Radialvertiefung im Bereich der höchsten Druckbelastung der Schaufelspitze der herkömmlich profilierten Laufschaufel angesiedelt, so dass die Leckageströmung durch den Radialspalt reduziert ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Krümmungsabschnitte derart geformt sind, dass in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine der Verlauf des Radialspalts im Wesentlichen kantenfrei und stufenfrei verläuft. Dabei können auch mehr als vier Krümmungsabschnitte, sowohl in der Ringrauminnenseite als auch an der Schaufelblattspitze, vorgesehen sein, um die Leckageströmung über den Radialspalt zu vermindern.
Bevorzugt ist, dass vor dem ersten Krümmungsabschnitt, nach dem vierten Krümmungsabschnitt und/oder nach einem sich daran anschließenden Krümmungsabschnitt ein weiterer Abschnitt an der Ringrauminnenseite bzw. an der Schaufelblattspitze vorgesehen ist, dessen Verlauf in Hauptströmungsrichtung der Axialturbomaschine gerade ist.
Alternativ ist es bevorzugt, dass der weitere Abschnitt bzw. die weiteren Abschnitte in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine konusförmig ist bzw. sind.
Dadurch ist ein sanfter Übergang von der Radialvertiefung bzw. den Radialerhebungen stromab zu der Hinterkante der Laufschaufel erreicht, so dass die Strömung im Bereich der Schaufelspitze verlustarm ist.
Es ist bevorzugt, dass in Hauptströmungsrichtung der Axialturbomaschine und von der Vorderkante aus gesehen der erste Wendepunkt bei 5% bis 15%, bevorzugt bei 10%, der Sehnenlänge der Schaufel und/oder der Grund der Radialvertiefung bei 15% bis 25%, bevorzugt bei 20%, der Sehnenlänge der Laufschaufel angesiedelt ist. Prinzipiell sind die Kontur der Schaufelblattspitze und die der ihr gegenüberliegenden Ringrauminnenseite stets korrespondierend, so dass beide Konturen identisch zu beschreiben sind. Somit gelten die für eine Axialturbomaschine auftretenden Vorteile sinngemäß auch für eine Laufschaufel.
Bevorzugt ist die Axialturbomaschine ein Verdichter in einer stationären Gasturbine, in einem Flugtriebwerk, in einem Prozessverdichter, in einem Ventilator, in einem Gebläse, in einer Dampfdruckturbine, in einer hydraulischen Turbine und/oder einer Pumpe.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialverdichters anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Gehäusebereichs einer ersten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialverdichters,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Laufschaufelspitze der
Ausführungsform aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht der ersten und einer zweiten Ausführungsform eines Gehäuses des erfindungsgemäßen Axialverdichters, und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ringraumwandung mit entsprechend angepasster Kontur der Schaufelspitze.
Wie es aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, weist ein Axialverdichter 1 einen Rotor 2 auf, der ein Laufschaufelgitter aufweist, das von einer Mehrzahl von Laufschaufeln 3 gebildet ist. In Figuren 1 und 3 gesehen wird der Axialverdichter
I von links nach rechts durchströmt.
Ferner weist der Axialverdichter 1 stromauf der Laufschaufel 3 einen ersten Stator 4 und stromab der Laufschaufel 3 einen zweiten Stator 5 auf. Der erste Stator 4 ist von einer Mehrzahl von ersten Leitschaufeln 6 und der zweite Stator 5 ist von einer Mehrzahl von zweiten Leitschaufeln 7 gebildet.
Die Laufschaufel 3 weist an ihrem stromauf gewandten Ende eine Vorderkante 8 und an ihrem stromab gewandten Ende eine Hinterkante 9 auf, wobei die eine Seite zwischen der Vorderkante 8 und der Hinterkante 9 die Druckseite 10 und die andere Seite zwischen der Vorderkante 8 und der Hinterkante 9 die Saugseϊte
II der Laufschaufel 3 ist. Von der Vorderkante 8 zur Hinterkante 9 erstreckt sich eine geradlinige Profilsehne mit einer normierten Sehnenlänge von 100%, wobei der Anfangspunkt gleich 0% der Sehnenlänge der Profilsehne an der Vorderkante angesiedelt ist und 100% der Sehnenlänge der Profilsehne an der Hinterkante.
Die Laufschaufel 3 ist radial außenseitig von einer Ringraumwandung 13 umgeben, wobei die Ringraumwandung 13 eine Ringrauminnenseite 14 aufweist, die der Laufschaufel 3 zugewandt ist. Die Laufschaufel 3 ist an ihrem radial innen liegenden Längsende befestigt und mit ihrem radial außen liegenden Längsende freistehend, wobei an dem freistehenden Ende eine Schaufelspitze 15 ausgebildet ist. Zwischen der Ringrauminnenseite 14 und der Schaufelspitze 15 ist ein Spalt 16 vorgesehen.
Die Schaufelspitze 15 ist an ihrer der Ringrauminnenseite 14 zugewandten Seite mit einer Radialerhebung 18 versehen, deren maximale Radialerstreckung bei 20% der Sehnenlänge der Profilsehne Schaufel 3 angesiedelt ist. Dem Verlauf der Schaufelspitze 15 folgend ist in einem Abschnitt der Ringrauminnenseite (14), welcher der Schaufelspitze 15 gegenüberliegt, in der Ringraumwandung 13 an der Ringrauminnenseite 14 eine Radialvertiefung 17 vorgesehen, die in Fig. 1 und 3 gesehen von links nach rechts parallel zu der Radialerhebung 18 verläuft. Die Radialvertiefung 17 weist einen Grund 12 auf, der radial außerhalb auf der Höhe der maximalen Radialerstreckung der Radialerhebung 18 angeordnet ist.
Die Radialvertiefung 17 ist in der Ringraumwandung 13 umlaufend ausgebildet. Dadurch kann, wenn der Rotor 2 um die Drehachse 28 sich dreht, jede Laufschaufel 3 mit ihrer Radialerhebung 18 in die Radialvertiefung 17 eingreifend rotieren.
In Hauptströmungsrichtung des Axialverdichters 1 gesehen ist die Radialvertiefung 17 und analog dazu die Radialerhebung 18 gemäß einer ersten Ausführungsform von vier Krümmungsabschnitten 19, 21, 23, 25 gebildet, wobei die Krümmungsabschnitte 19, 21, 23, 25 jeweils eine Krümmung haben, wobei das Vorzeichen der Krümmungen von Krümmungsabschnitt zu Krümmungsabschnitt wechselt. Die Krümmungsabschnitte 19, 21, 23, 25 sind hintereinander liegend angeordnet, wobei der erste Krümmungsabschnitt 19 von dem zweiten Krümmungsabschnitt 21 durch einen ersten Wendepunkt 20 abgegrenzt ist. Ferner ist der zweite Krümmungsabschnitt 22 von dem dritten Krümmungsabschnitt 23 durch einen zweiten Wendepunkt 22 abgetrennt. Der dritte Krümmungsabschnitt 23 ist von dem vierten Krümmungsabschnitt 25 durch einen dritten Wendepunkt 24 abgegrenzt. Durch die hintereinander liegende Anordnung der Krümmungsabschnitte 19, 21, 23, 25 und der dazwischen liegenden Wendepunkte 20, 22, 24 ist der Spalt 16 zwischen der Schaufelspitze 15 und der Ringrauminnenseite 14 wellenartig ausgebildet.
In Fig. 2 ist mit der Linie 27 die Radialabgrenzung einer herkömmlichen Schaufelspitze dargestellt, so dass der radiale Überstand hervorgerufen durch das Vorsehen der Radialerhebung 18 deutlich wird.
In Fig. 3 ist der Verlauf der Ringraumϊnnenseite 14 in Relation zu einer Drehachse 28 des Axialverdichters 1 gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt. Stromauf des ersten Krümmungsabschnitts 19 und/oder stromab des vierten Krümmungsabschnitts 25 ist der Verlauf der Ringrauminnenseite 14, zumindest in demjenigen Bereich, welcher der Schaufelblattspitze 15 gegenüberliegt, konusförmig und somit geradlinig, um eine Kanalkontraktion zu erhalten.
Selbstverständlich ist es möglich, dass der Verlauf der Ringrauminnenseite 14 und dementsprechend die Schaufelblattspitze 15 nicht nur vier Krümmungsabschnitte aufweist, sondern noch mehr Krümmungsabschnitte.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ringraumwandung 13 mit entsprechend angepasster Kontur der Schaufelspitze 15, bei welchem hinter einem stromauf angeordneten ersten Krümmungsabschnitt 19 zahlreiche weitere Krümmungsabschnitte 21,23,25,27,29,31,33,35 vorgesehen sind. Benachbarte Krümmungsabschnitte sind zueinander ϊnvers gekrümmt. Dies bedeutet, dass, wenn der eine Krümmungsabschnitt konkav gekrümmt ist, der nächstfolgende Krümmungsabschnitt konvex gekrümmt ist, und umgekehrt. Konkave und konvexe Krümmungsabschnitte wechseln einander ab. Zwischen ihnen befindet sich jeweils ein Wendepunkt W1,W2,W3,W4,W5,W6,W7,W8.
In Figur 4 ist die Profilsehne der Ringraumwandung 13 mit 40 bezeichnet. Die Profilsehne fällt vom Anström-Ende zum Abström-Ende des Strömungskanals ab. Die Mittelachse des von der Ringraumwandung 13 begrenzten Ringraums ist mit A bezeichnet. An dieser Achse A orientieren sich die Begriffe Maximum und Minimum. Das größte Maximum, welches als Hauptmaximum bezeichnet wird, befindet sich in dem Krümmungsabschnitt 21. Es ist das erste Maximum innerhalb der axialen Länge der Schaufel. Danach folgen kleinere Maxima in den Krümmungsabschnitten 25, 29 und 33.
Der zweite Krümmungsabschnitt 21 bildet also, bezogen auf die Achse A der Ringraumwandung 13 und der Laufschaufel, das Hauptmaximum. Jeder zweite der nachfolgenden Krümmungsabschnitte, nämlich die Krümmungsabschnitte 25, 29 und 33, bildet ein weiteres Maximum von kleinerer Amplitude als das Hauptmaximum.
Die Amplituden aller Maxima fallen, beginnend mit dem Hauptmaximum, monoton ab.
Die Amplituden der Maxima fallen vorzugsweise nach einer Funktion zweiter Ordnung ab, entsprechend der Formel
Y = cX2 + bX + C.
Hierbei bildet Y die Amplitude (senkrecht zur Achse A), X die Position längs der Achse A. c und b sind konstante Koeffizienten und C ist eine Konstante. Die Koeffizienten c und b sind ungleich Null.
Zwischen zwei benachbarten Maxima liegen genau zwei Wendepunkte.
In dem ersten Krümmungsabschnitt 19 befindet sich noch nicht die Laufschaufel 3. Diese beginnt erst an dem ersten Wendepunkt Wl. Folglich bezieht sich der erste Krümmungsabschnitt 19 ausschließlich auf die Ringraumwandung 13, die in diesem Krümmungsabschnitt konvex gekrümmt ist. Im Bereich des ersten Wendepunktes Wl erfolgt ein Anstieg und dann folgt das Hauptmaximum mit einem anschließenden Absinken zum Wendepunkt W2 hin.
Das Ausführungsbeispiel von Figur 4 eignet sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für die im transsonischen Bereich arbeitende Frontstufe einer mehrstufigen Gasturbine. Durch Störung der beim Überströmen der Schaufelspitze entstehenden Wirbel wird der Wirkungsgrad der Axialturbomaschine erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Axialturbomaschine (1) mit einem Laufschaufelgitter, das von Laufschaufeln (2) mit jeweils einer Vorderkante (8) und einer radial außen liegenden, freistehenden Schaufelspitze (15) gebildet ist, und einer das Laufschaufelgitter ummantelnden Ringraumwandung (13) mit einer Ringrauminnenseite (14), mit der die Ringraumwandung (13) unmittelbar benachbart zu den Schaufelspitzen (15) unter Ausbildung eines Radialspalts (16) zwischen der Einhüllenden der Schaufelspitzen (15) und der Ringrauminnenseite (14) angeordnet ist, wobei innerhalb eines der Schaufelspitze (15) gegenüberliegenden axialen Abschnitts der Ringrauminnenseite (14) die Ringraumwandung (13) an der Ringrauminnenseite (14) mindestens eine umlaufende erste Radialvertiefung (17) mit einem ersten und einem zweiten Krümmungsabschnitt (19, 21) aufweist, die im entlang der Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) konstanten Radialabstand zu der Einhüllenden der zur Ringrauminnenseite (14) korrespondierenden Schaufelspitzen (15) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) der Verlauf an der Ringrauminnenseite (14) mindestens
• einen sich an den zweiten Krümmungsabschnitt (21) anschließenden dritten Krümmungsabschnitt (23) und
• einen sich an den dritten Krümmungsabschnitt (23) anschließenden vierten Krümmungsabschnitt (25) aufweist, wobei
» der erste Krümmungsabschnitt (19) von dem zweiten Krümmungsabschnitt (21) mit einem ersten Wendepunkt (20),
» der zweite Krümmungsabschnitt (21) von dem dritten Krümmungsabschnitt (23) mit einem zweiten Wendepunkt (22) und
« der dritte Krümmungsabschnitt (23) von dem vierten Krümmungsabschnitt (25) mit einem dritten Wendepunkt (24) abgegrenzt ist,
wobei die Krümmungen benachbarter Krümmungsabschnitte (19, 21, 23, 24) unterschiedliche Vorzeichen haben, und
dass der zweite Krümmungsabschnitt (21) ein Hauptmaximum, bezogen auf die Achse (A) der Ringraumwandung (13) und der Laufschaufel, bildet und dass jeder zweite (25,29,33) der nachfolgenden Krümmungsabschnitte (23-35) ein weiteres Maximum von kleinerer Amplitude als das Hauptmaximum bildet.
2. Axialturbomaschine (1) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Krümmungsabschnitt (19) in demjenigen Bereich der Ringrauminnenseite (14) angesiedelt ist, welcher dem Bereich einer vorderen Hälfte der Profilsehne der Schaufelblattspitze (15) von der Vorderkante (8) aus gesehen gegenüberliegt.
3. Axialturbomaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Maximum der ersten Radialvertiefung (17) in demjenigen Bereich bzw. in demjenigen Punkt angesiedelt ist, welcher bei 10% bis 30%, insbesondere bei 20%, der Profilsehne von der Vorderkante (8) aus gesehen gegenüberliegt.
4. Axialturbomaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Krümmungsabschnitte (19, 21, 23, 25) derart geformt sind, dass entlang der Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) der Verlauf des Radialspalts (16) im Wesentlichen kantenfrei und stufenfrei verläuft.
5. Axialturbomaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) der Verlauf an der Ringrauminnenseite (14) sich weitere an den vierten Krümmungsabschnitt (23) anschließende Krümmungsabschnϊtte aufweist.
6. Axialturbomaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei vor dem ersten Krümmungsabschnitt (19), an dem vierten Krümmungsabschnitt (23) und/oder an einem sich an den vierten Krümmungsabschnitt (23) anschließenden weiteren Krümmungsabschnitt ein weiterer Abschnitt der Ringrauminnenseite (14) vorgesehen ist, dessen Verlauf in Hauptströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) gerade ist.
7. Axialturbomaschine (1) gemäß Anspruch 6, wobei der (bzw. die) weitere(n) Abschnitt(e) konusförmig ist (resp. sind).
8. Axialturbomaschine (1) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei in Hauptdurchströmungsrichtung der Axialturbomaschine (1) und von einem der Vorderkante (8) der Laufschaufel gegenüberliegendem Punkt aus gesehen der erste Wendepunkt (20) bei 5% bis 15%, insbesondere bei 10%, der Sehnenlänge der Laufschaufel (3) und/oder der Grund der Radialvertiefung bei 15% bis 25%, insbesondere bei 20%, der Sehnenlänge der Laufschaufel (3) angesiedelt ist.
9. Axialturbomaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden aller Maxima, beginnend mit dem Hauptmaximum, monoton abfallen.
10. Axialturbomaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der Maxima nach einer Funktion zweiter Ordnung abfallen, entsprechend der Formel
Y = cX2 + bX + C,
wobei Y die Amplitude, X die Position längs der Achse (A) und c, b und C Konstanten sind.
11. Laufschaufel (2) für eine Axialturbomaschine, mit einer Vorderkante (8) und einer radial außen liegenden, freistehenden Schaufelspitze (15), die an ihrer Schaufelspitze (15) mindestens eine erste Radialerhebung (18) mit einem ersten Krümmungsabschnitt (19) und einen zweiten Krümmungsabschnitt (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass entlang einer Profilsehne der Laufschaufel (2) die Schaufelspitze (15) mindestens
• einen sich an den zweiten Krümmungsabschnitt (21) anschließenden dritten Krümmungsabschnitt (23) und
• einen sich an den dritten Krümmungsabschnitt (23) anschließenden vierten Krümmungsabschnitt (25) aufweist,
wobei
der erste Krümmungsabschnitt (19) von dem zweiten Krümmungsabschnitt (21) mit einem ersten Wendepunkt (20),
der zweite Krümmungsabschnitt (21) von dem dritten Krümmungsabschnitt (23) mit einem zweiten Wendepunkt (22) und • der dritte Krümmungsabschnitt (23) von dem vierten Krümmungsabschnitt (25) mit einem dritten Wendepunkt (24) abgegrenzt ist,
wobei die Krümmungen benachbarter Krümmungsabschnitte (19, 21, 23, 24) unterschiedliche Vorzeichen haben, und
dass der zweite Krümmungsabschnitt (21) ein Hauptmaximum, bezogen auf die Achse (A) der Ringraumwandung (13) und der Laufschaufel, bildet und dass jeder zweite (25, 29, 33) der nachfolgenden Krümmungsabschnitte (23-35) ein weiteres Maximum von kleinerer Amplitude als das Hauptmaximum bildet.
12. Laufschaufel (2) gemäß Anspruch 11, deren erste Radialerhebung (18) im Bereich der vorderen Hälfte der Sehnenlänge angesiedelt ist.
13. Laufschaufel (2) gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Maximum der ersten Radialerhebung (18) bei 10% bis 30%, insbesondere bei 20%, der Sehnenlänge von der Vorderkante (8) aus gesehen angesiedelt ist.
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