EP2539544A2 - Schaufelblatt mit gefädelten profilschnitten - Google Patents

Schaufelblatt mit gefädelten profilschnitten

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EP2539544A2
EP2539544A2 EP11711017A EP11711017A EP2539544A2 EP 2539544 A2 EP2539544 A2 EP 2539544A2 EP 11711017 A EP11711017 A EP 11711017A EP 11711017 A EP11711017 A EP 11711017A EP 2539544 A2 EP2539544 A2 EP 2539544A2
Authority
EP
European Patent Office
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profile section
center point
profile
point component
section
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11711017A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sergio Elorza Gomez
Peter EIBELSHÄUSER
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • 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
    • F05D2200/00—Mathematical features
    • F05D2200/20—Special functions
    • F05D2200/26—Special functions trigonometric
    • 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49337—Composite blade

Definitions

  • the invention relates to an airfoil for a blade of a turbomachine with threaded profile sections, in particular an airfoil of a compressor blade, and a method for threading profile sections of such a blade.
  • Object of the present invention is therefore to provide an improved airfoil for a
  • Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
  • profile sections of an airfoil are threaded in such a way that a first center point component of a second profile section is selected as a function of at least one midpoint component of a first profile section.
  • the midpoint position of a profile section can in particular be the position i * c of its
  • Center point components XCG in the axial, TCG in radial direction and ®CG in the circumferential direction wherein in particular reference is made to a usual coordinate system whose axial coordinate with a longitudinal axis of the flow grid or the turbomachine is aligned.
  • At least one of these components which for the sake of greater compactness is referred to as the first center point component, is then formed for a second profile section as a function of one or more center point components of one, preferably radially outwardly preceding one, i.e. selected radially inward, first profile section. This allows for optimal threading of subsequent ones
  • the individual profile sections are designed in advance in terms of fluid, in particular aerodynamically, preferably optimized, and then according to the invention, i.e. in dependence of
  • Center point component of the second profile section additionally selected as a function of its graduation angle and / or in dependence on a stagger angle of the first profile section.
  • first center point component of the second profile section can also be dependent on at least one other, second
  • Center point component of the second profile section are selected.
  • an axial center location i.e. a
  • Mid-point component in the axial direction determined for the second profile cut, and then its mid-point circumferential position, i.e. its midpoint component in
  • Circumferential direction to be selected depending on this axial center position.
  • the mass mean or center of gravity or position of a radially inner first profile section (i) is known by its position or position xcofi) in axial, rcG) in radial and ®CG (in the circumferential direction and its stagger angle ⁇ ( t ), and the axial and radial positions xcGft + i), fcGfi + i) of the center of mass of a radially adjacent second
  • Midpoint circumferential position ®cG (t + i) of the second profile section (i + 1) at least approximately the relationship
  • substantially all profile sections of the airfoil at least approximately obey this relationship.
  • radially inner profile section deviate from this. Therefore, preferably at least radially outer profile sections meet the above relationship, in particular all profile sections from 35% of a channel height of the blade grid, preferably from 25% of the channel height upwards.
  • the radial position rcG (i) or rcGfi + i) of the first or second profile section may also be used, so that the Center point circumferential position ®cG (i + i) of the second profile section (i + J) at least approximately, for example, the relationship
  • the stagger angle ß ⁇ or ß ( i + i) of the first or second profile section can be used approximately, so that the
  • Center point circumferential position ®CG (I + I) of the second profile section at least approximately, for example, the relationship
  • the blade can be inclined in the circumferential direction by the angle ® ⁇ ean . Then, the center-point circumferential position .RTM.CG (t + i) of the second profile section (i + 1) according to one of the above-explained relationships, the term
  • 'CG (/ + 1) may be added such that the midpoint circumferential position ®CG (I + I) of the second profile section (i + 1) is at least approximately equal to the relationship
  • Fig. 1A is a meridional view of an airfoil with threaded profile sections according to the prior art
  • Fig. 1B is an axial view of the airfoil of Fig. 1A.
  • FIG. 2 A, 2B an airfoil according to an embodiment of the present invention in FIG.
  • FIGS. 2A, 2B show, in meridional or axial view, an airfoil 1 of FIG
  • a compressor blade according to an embodiment of the present invention.
  • some threaded profile sections are drawn in, of which a second one is labeled "i + 1".
  • the individual profile sections are first generated under aerodynamic aspects, for example by setting or optimizing their skeleton line and their design circles. Subsequently, starting with a radially innermost profile section at the bottom of the flow channel, the axial center of gravity positions of the profile sections are recursively specified. For each profile section at least from 25% of the height of the channel upwards (from bottom to top in Fig. 2) its center of gravity position in the circumferential direction according to the relationship (2) or (2 "') is chosen, then finally the complete, both in aerodynamic and in terms of strength optimal 3D geometry of this blade results without the need for time and cost-intensive aero-strength iterations must be performed.

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Abstract

Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten ((i), (i+1)) eines Schaufelblatts (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine wird eine erste Mittelpunktlagenkomponente (Formel (II)) eines zweiten Profilschnittes ((i+1)) in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente ((Formel (IV)), xCG(i), rCG(i)) eines ersten Profilschnittes ((i)), insbesondere gemäß Formel (I) mit: (i) eine Größe des ersten Profilschnittes; (i+1) eine Größe des zweiten Profilschnittes; (Formel (III)) eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in Umfangsrichtung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß; xCG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in axialer Richtung; rCG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profϊlschnittes in radialer Richtung; ß einen Staffelungswinkel eines Profϊlschnittes; und (Formel (V)) eine Umfangsneigung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß gewählt.

Description

Schaufelblatt mit gefädelten Profilschnitten
Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine mit gefädelten Profilschnitten, insbesondere ein Schaufelblatt einer Verdichterlaufschaufel, sowie ein Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten eines solchen Schaufelblatts.
Insbesondere, um einzelne Profilschnitte in radialer Richtung an radial über einer Kanalhöhe eines Schaufelgitters variierende Strömungsbedingungen, insbesondere die Strömungsvektoren an Ein- und Austritt, anzupassen, ist es, beispielsweise aus der EP 0 798 447 A2 der Anmelderin und der DE 10 2006 055 869 AI, bekannt, die dreidimensionale Geometrie (3D-Geometrie) eines Schaufelblattes aus in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Profilschnitten,
vorzugsweise 2D-Profilschnitten, aufzubauen, i.e. die Profilschnitte zu fädeln. Beide
Druckschriften befassen sich ebenso wie die DE 10 2005 042 115 AI, die DE 34 41 115 Cl und die DE 10 2005 025 213 AI mit der Geometrie der einzelnen Profilschnitte, insbesondere deren Skelettlinien.
Insbesondere bei Verdichterlaufschaufeln mit einer Pfeilung in axialer Richtung können infolge einer Fädelung in Umfangsrichtung, i.e. mit in Umfangsrichtung gegeneinander versetzten Profilschnitten, seitliche Biegespannungen im Schaufelblatt auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbessertes Schaufelblatt für ein
Schaufelgitter einer Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein
Schaufelblatt mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß werden Profilschnitten eines Schaufelblatts derart gefädelt, dass eine erste Mittelpunktlagenkomponente eines zweiten Profilschnittes in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente eines ersten Profilschnittes gewählt wird.
Die Mittelpunktslage eines Profilschnittes kann insbesondere die Lage i*c seines
Flächenmittelpunktes mit den Komponenten X in axialer, rc in radialer und ®c in Umfangsrichtung und dem Vektor rdF zum infinitesimalen Element dF der Profilschnittfläche F, vorzugsweise die Lage #*CG seines Massenmittel- bzw. Schwerpunktes
mit den Vektor ^M zum infinitesimalen Massenelement dM und den entsprechenden
Mittelpunktlagenkomponenten XCG in axialer, TCG in radialer und ®CG in Umfangsrichtung sein, wobei insbesondere auf ein fachübliches Koordinatensystem Bezug genommen ist, dessen Axialkoordinate mit einer Längsachse des Strömungsgitters bzw. der Strömungsmaschine fluchtet.
Erfindungsgemäß wird nun, vorzugsweise rekursiv, wenigstens eine dieser Komponenten, die zur kompakteren Darstellung als erste Mittelpunktlagenkomponente bezeichnet wird, für einen zweiten Profilschnittes in Abhängigkeit von einer oder mehreren Mittelpunktslagenkomponente eines, vorzugsweise in radialer Richtung nach außen vorhergehenden, i.e. radial innenliegenden, ersten Profilschnittes gewählt. Dies ermöglicht eine optimale Fädelung nachfolgender
Profilschnitte bezüglich ihrer Mittelpunktslagen.
Dabei werden die einzelnen Profilschnitte, insbesondere ihre Geometrie oder Außenkontur, gemäß einer bevorzugten Ausführung vorab fluid-, insbesondere aerodynamisch ausgelegt, vorzugsweise optimiert, und anschließend erfindungsgemäß, i.e. in Abhängigkeit von
Mittelpunktslagenkomponenten eines vorhergehenden Profilschnittes gefädelt. Auf diese Weise kann sowohl fluiddynamischen als auch Festigkeitsanforderungen separat und somit jeweils optimal Rechnung getragen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird eine erfindungsgemäß gewählte erste
Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes zusätzlich auch in Abhängigkeit von seinem Staffelungs winkel und/oder in Abhängigkeit von einem Staffelungswinkel des ersten Profilschnittes gewählt. Als Staffelungs- bzw. Schaufel winkel ß eines Profilschnittes wird dabei in fachüblicher Weise insbesondere der schaufelanfangs-, oder schaufelendseitige
Staffelungswinkel oder der Winkel bezeichnet, den eine Sehne zwischen Schaufelanström- und Schaufelabströmkante oder eine Profilskelettlinie mit einer Gitterebene des Schaufelgitters einschließt. Zusätzlich oder alternativ kann die erste Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes auch in Abhängigkeit von wenigstens einer anderen, zweiten
Mittelpunktlagenkomponente des zweiten Profilschnittes gewählt werden. Beispielsweise kann, etwa aus fluiddynamischen Gründen, zunächst eine axiale Mittelpunktlage, i.e. eine
Mittelpunktlagenkomponente in axialer Richtung, für den zweiten Profilschnitt bestimmt und dann dessen Mittelpunktsumfangslage, i.e. seine Mittelpunktlagenkomponente in
Umfangsrichtung, in Abhängigkeit auch von dieser axialen Mittelpunktlage gewählt werden.
Sind beispielsweise die Massemittel- bzw. Schwerpunktlage bzw. -position eines radial inneren ersten Profilschnittes (i) durch seine Lage bzw. Position xcofi) in axialer, rcG) in radialer und ®CG( in Umfangsrichtung sowie sein Staffelungswinkel ß(t) bekannt, und die axiale und radiale Position xcGft+i), fcGfi+i) des Massenmittelpunktes eines radial anschließenden zweiten
Profilschnittes sowie sein Staffelungswinkel ßp+ij vorgegeben, etwa aufgrund
fluiddynamischer Bedingungen, so gehorcht gemäß einer bevorzugten Ausführung die
Mittelpunktsumfangslage ®cG(t+i) des zweiten Profilschnittes (i+1) wenigstens näherungsweise der Beziehung
®C6( +D = ©CG(i) (2)
wobei„tan" und„Arctan" in üblicher Nomenklatur den Tanges bzw. Arcustangens eines Winkels bezeichnen. Man erkennt, dass der Versatz (®cG(i+i) - ®CG )) des Schwerpunktes des zweiten Profilschnittes gegenüber dem ersten Profilschnitt in Umfangsrichtung von dem Versatz (xcGfi+i) - xcGfi)) in axialer Richtung sowie einem Mittelwert ( cGfi+i) + ^CG^)/2 für die radiale Position und einem gemittelten Staffelungswinkel (ßcGfl+i) + abhängt.
Bevorzugt gehorchen im Wesentlichen alle Profilschnitte des Schaufelblattes wenigstens näherungsweise dieser Beziehung. Insbesondere, um lokale Belastungen auszugleichen, kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn radial innenliegende Profilschnitt hiervon abweichen. Daher erfüllen vorzugsweise wenigstens radial außenliegende Profilschnitte obige Beziehung, insbesondere alle Profilschnitte ab 35% einer Kanalhöhe des Schaufelgitters, vorzugsweise ab 25% der Kanalhöhe aufwärts.
Zur Vereinfachung kann an Stelle des Mittelwertes (rcGß+i) + rcG(i))l2 auch die radiale Position rcG(i) bzw. rcGfi+i) des ersten oder zweiten Profilschnittes verwendet werden, so dass die Mittelpunktsumfangslage ®cG(i+i) des zweiten Profilschnittes (i+J) wenigstens näherungs weise beispielsweise der Beziehung
®CG(/+D = 0CG( ) + Arctan (2')
gehorcht. Zusätzlich oder alternativ kann näherungsweise auch der Staffelungswinkel ß^ bzw. ß(i+i) des ersten oder zweiten Profilschnittes verwendet werden, so dass die
Mittelpunktsumfangslage ®CG(I+I) des zweiten Profilschnittes wenigstens näherungs weise beispielsweise der Beziehung
( CG(/+1) XCG[i) )
®CG(W) = ®cs(/) + Arctan tan( ?(i+1)) (2")
' CG(/+1) gehorcht.
Beispielsweise, um Fluid-, insbesondere Gaskräfte auszugleichen, kann das Schaufelblatt in Umfangsrichtung um den Winkel ®\ean geneigt sein. Dann kann der Mittelpunktsumfangslage ®CG(t+i) des zweiten Profilschnittes (i+1) gemäß einer der vorstehend erläuterten Beziehungen der Term
Aresin V CS(/+1) RCG(1) , sin(©,ean ) (3)
' CG(/+1) hinzugefügt werden, so dass die Mittelpunktsumfangslage ®CG(I+I) des zweiten Profilschnittes (i+1) wenigstens näherungsweise der Beziehung
Θ
gehorcht.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem
Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert: Fig. 1 A eine meridionale Ansicht eines Schaufelblattes mit gefädelten Profilschnitten nach dem Stand der Technik;
Fig. 1B eine axiale Ansicht des Schaufelblattes der Fig. 1 A; und
Fig. 2 A, 2B ein Schaufelblatt gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig.
1 A bzw. 1B entsprechender Ansicht.
Fig. 2A, 2B zeigen in meridionaler bzw. axialer Ansicht ein Schaufelblatt 1 einer
Verdichterlaufschaufel gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Exemplarisch sind einige gefädelte Profilschnitte eingezeichnet, von denen ein zweiter mit„i+1" bezeichnet ist.
Zur Erzeugung der 3D-Geomtrie dieses Schaufelblattes werden die einzelnen Profilschnitte zunächst unter aerodynamischen Gesichtspunkten erzeugt, indem beispielsweise ihre Skelettlinie und ihre Konstruktionskreise vorgegeben bzw. optimiert werden. Anschließend werden rekursiv, beginnend mit einem radial innersten Profilschnitt am Grund des Strömungskanals, auch die axialen Schwerpunktlagen der Profilschnitte vorgegeben. Für jeden Profilschnitt wenigstens ab 25% der Höhe des Kanals aufwärts (von unten nach oben in Fig. 2) wird seine Schwerpunktlage in Umfangsrichtung gemäß der Beziehung (2) oder (2"') gewählt, so däss sich schließlich die komplette, sowohl in aerodynamischer als auch in Festigkeitshinsicht optimale 3D-Geomtrie dieses Schaufelblattes ergibt, ohne dass hierzu zeit- und kostenintensive Aero- Festigkeitsiterationen durchgeführt werden müssen.
Im Vergleich mit den in entsprechender Ansicht in den Fig. 1 A, 1B dargestellten Schaufelblatt 1 ' nach dem Stand der Technik erkennt man den günstigeren, gekrümmten Verlauf der
Schwerpunktlagen, die in den Figuren durch eine Linie S bzw. S' verbunden sind, über der Kanalhöhe.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Fädeln von Profilschnitten ((i), eines Schaufelblatts (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste
Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) eines zweiten Profilschnittes in Abhängigkeit von wenigstens einer Mittelpunktslagenkomponente (0cG(i), *CG(i), ^CG©) eines ersten Profilschnittes ((i)) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) des zweiten Profilschnittes in Abhängigkeit von einem Staffelungswinkel ( ?(,), des ersten und/oder zweiten Profilschnittes gewählt
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) des zweiten Profilschnittes ((i+1)) in
Abhängigkeit von wenigstens einer zweiten Mittelpunktlagenkomponente ( CG( +I), rcG(i+i)) des zweiten Profilschnittes ((i+1)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) des zweiten Profilschnittes ((i+1)) rekursiv in Abhängigkeit von dem, vorzugsweise radial nach außen vorhergehenden, ersten Profilschnitt ((i)) gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Profilschnitt vor dem Fädeln fluiddynamisch ausgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Mittelpunktlagenkomponente eine Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) des zweiten Profilschnittes ((i+1)) in Umfangsrichtung im Wesentlichen gemäß
gewählt wird, mit
wobei
(0 eine Größe des ersten Profilschnittes;
(i+1) eine Größe des zweiten Profilschnittes;
©CG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in
Umfangsrichtung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß;
*CG eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in axialer
Richtung;
reo eine Mittelpunktlagenkomponente eines Profilschnittes in radialer
Richtung;
einen Staffelungswinkel eines Profilschnittes; und
eine Umfangsneigung, vorzugsweise im Winkel- oder Bogenmaß bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelpunktumfangsposition (0cG(i+i)) für alle Profilschnitte gemäß
® CG(/+D = ®CG(/) + ArctanfA · (xCG(i+1) - xCG(i) )· tan ßj+ C gewählt wird, für die die Differenz (rcG(i+i) - ^CG(i)) zwischen ihrer und einer
Mittelpunktlagenkomponente in radialer Richtung eines radial innenliegenden Kanalgrundes wenigstens 35%, insbesondere wenigstens 25% einer Kanalhöhe des Schaufelgitters beträgt.
Schaufelblatt (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine, mit einer Mehrzahl gefädelter Profilschnitte ((i), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste
Mittelpunktlagenkomponente (0cG(i+i)) eines zweiten Profilschnittes ((i+1)) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gewählt ist.
Schaufelblatt (1) für ein Schaufelgitter einer Strömungsmaschine mit einer
gefädelter Profilschnitte ((i), (i+1)), dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittelpunktlagenkomponente (0CG(I+I)) eines zweiten Profilschnittes in
Umfangsrichtung wenigstens näherungsweise der Beziehung
®CG( +D = ®cS( ) + Arctan[A · (xce(/+1) - xCG(/) ), tan ßj+ C
mit
C e Arcsin (/CG( +1) _ 'CG(I) ) sin(©/ean) ,0
' CG( )
genügt.
10. Schaufelblatt (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt eine Krümmung in Umfangsrichtung und/oder eine Pfeilung in axialer Richtung aufweist.
EP11711017A 2010-02-27 2011-01-29 Schaufelblatt mit gefädelten profilschnitten Withdrawn EP2539544A2 (de)

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WO (1) WO2011103849A2 (de)

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