WO2005088135A1 - Verdichter einer gasturbine sowie gasturbine - Google Patents

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WO2005088135A1
WO2005088135A1 PCT/DE2005/000357 DE2005000357W WO2005088135A1 WO 2005088135 A1 WO2005088135 A1 WO 2005088135A1 DE 2005000357 W DE2005000357 W DE 2005000357W WO 2005088135 A1 WO2005088135 A1 WO 2005088135A1
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sweep angle
height
rotor
compressor
angle
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PCT/DE2005/000357
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English (en)
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Inventor
Martin Hoeger
Original Assignee
Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D21/00—Pump involving supersonic speed of pumped fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324—Blades

Definitions

  • the invention relates to a compressor of a gas turbine, in particular an aircraft engine, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention further relates to a gas turbine, in particular an aircraft engine, according to the preamble of patent claim 11.
  • Gas turbines such as aircraft engines, consist of several assemblies, namely a fan or fan, preferably several compressors, a combustion chamber, and preferably several turbines. To improve the efficiency and operating range of such gas turbines, it is necessary to optimize all subsystems or components of the gas turbine.
  • the present invention relates to the improvement of the efficiency or operating range of compressors, in particular of transonic high-pressure compressors.
  • Compressors of gas turbines generally consist of several stages arranged axially one behind the other in the flow, each stage being formed by rotor blades assigned to a rotor blade ring and a guide blade ring.
  • the rotor blades assigned to the rotor and forming the rotor blade ring rotate together with the rotor relative to the stationary guide vanes and a housing which is also designed to be stationary.
  • increasingly compact designs of compressors with the lowest possible number of stages are being sought.
  • the total pressure ratios within the gas pressure turbine or the compressor and thus the stage pressure ratios between individual stages increase.
  • stage pressure ratios become increasingly larger and the number of stages becomes increasingly smaller, the circumferential speeds of the rotating components of the compressor are inevitably higher.
  • the speeds increasing with the reduction in the number of stages lead on the one hand to increasing mechanical loads, in particular on the rotor blades rotating with the rotor, and on the other hand to a so-called supersonic flow against the rotor blades and to transonic flow conditions within the blade grids.
  • the present invention is based on the problem of creating a new type of compressor for a gas turbine and a new type of gas turbine.
  • the leading edges of the moving blades are inclined by an arrowing angle that changes with the height of the respective rotating blades such that the leading edges in a radially outer region thereof have at least one forward arrowing angle, a backward arrowing angle or zero arrowing angle that adjoins the forward arrowing angle radially on the outside, and a backward arrowing angle or have the forward sweep angle adjoining the zero sweep angle radially on the outside.
  • the efficiency and the working range of the compressor are optimized by the inventive design of the leading edge of the rotor blades.
  • the inventive design of the front edge of the rotor blades results in an aerodynamically optimal position of a shock wave or shock front of the compressor with respect to the front edge of the flowed rotor blade. It is a finding of the present invention that the position of the shock front or shock wave of the compressor with respect to the front edge of the rotor blades is important for providing an optimal efficiency and working range of the compressor.
  • the sweeps of the front edges of fan blades known from the prior art only influence the position of a shock front or shock wave on a suction side of the fan blades.
  • the radially outer region of the leading edges in which they have at least one forward sweep angle, one backward sweep angle or zero sweep angle following the forward sweep angle and one forward sweep angle following the reverse sweep angle or zero sweep angle, lie between 60% and 100%, preferably between 70% and 100%, the height of the blades.
  • the leading edges of the rotor blades in this radially outer region in the direction from radially inward to radially outward have a forward sweep angle, a backward sweep angle following the forward sweep angle and a forward sweep angle following the reverse sweep angle.
  • the radially outer region between 60% and 100%, preferably between 70% and 100%, of the height of the rotor blade two sections which are arrowed forward then include a section which is arrowed backwards.
  • the gas turbine according to the invention is defined in claim 11.
  • FIG. 1 shows a schematic section of a compressor according to the invention in a view from the ' radially outside of two rotor blade profiles of the compressor according to the invention, the two rotor blade profiles being shown in cross section along the section line II at approximately 80% of the blade height according to FIG. 3 ;
  • 2 shows a schematic section of a compressor according to the invention in a view perpendicular to the suction side of a rotor blade of the compressor;
  • FIG. 3 shows a schematic section of a compressor according to the invention in a meridian plane view of the compressor together with the position of a compression joint near the front edge of the rotor blade.
  • the present invention is described below with reference to FIG.
  • FIG. 1 shows a detail from a compressor 10 according to the invention in the area of two rotor blades 11 and 12 in a view from the radial outside.
  • a rotor hub 13 of the compressor 10 can also be seen in FIG. 2.
  • the blades 11 and 12 rotate together with the rotor along the direction visualized by the arrow 14.
  • An arrow 15 visualizes the flow direction or flow direction of the rotor vane grille of the compressor 10 formed by the rotor blades 11 and 12.
  • the flow against the rotor vane grille or the rotor blades 11 and 12 preferably takes place in the supersonic region, the outflow from the rotor blades 11 and 12 in the subsonic region he follows.
  • Each of the rotor blades 11 and 12 of the rotor blade grille is essentially delimited by a flow inlet edge or front edge 16, a flow outlet edge or rear edge 17 and a blade surface 20 which extends between the front edge 16 and the rear edge 17 and forms a suction side 18 and a pressure side 19.
  • the flow against the blades 11 and 12 in the area of the front edges 16 preferably takes place in the supersonic area
  • the outflow thereof in the area of the rear edges 17 preferably takes place in the subsonic area.
  • the front edges 16 of the blades 11 and 12 are designed in such a way that the blades 11 and 12 are gas-dynamically compatible with a compressor shock.
  • the reference number 22 in FIG. 1 shows a shock front which is spaced apart or detached from the front edge 16 of the flow-moving blades 11 and which occurs in compressors known from the prior art, the blades of which are not designed in accordance with the invention.
  • a shock front of the compressor shock, detached in this way from the front edge 16 of the rotor blade 11 against which flow is flowing, is avoided with the present invention, and the efficiency and operating range of the compressor 10 are thereby optimized.
  • the front edges 16 of the blades 11, 12 are inclined by an arrow angle that changes with the height of the blades, such that the front edges 16 in a radially outer region thereof have at least one forward arrow angle, one that adjoins the forward arrow angle radially on the outside Reverse sweep angle or zero sweep angle and have a forward sweep angle radially outward following the reverse sweep angle or zero sweep angle.
  • This area is identified in FIG. 2, which shows a view perpendicular to the suction side 18 of the blade 11, with the reference numerals 23.
  • the suction side 18 of the rotor blade 11 is shown hatched for reasons of a clearer illustration in FIG. 2, whereas the suction side 18 of the rotor blade 12 positioned behind it is partially covered by the rotor blade 11 and is not hatched.
  • the radially outer region 23 of the leading edges 16 of the moving blades, in which they have at least the forward sweep angle, the backward sweep angle or zero sweep angle radially adjacent to the forward sweep angle and the forward sweep angle radially outward following the reverse sweep angle or zero sweep angle, is between 60% and 100% the radial height of the rotor blades 11, 12. This range is preferably between 70% and 100% of the radial height of the rotor blades 11, 12.
  • the contouring of the front edges 16 of the rotor blades 11, 12 according to the invention therefore relates to the region of the blade tips of the rotor blades 11, 12 - namely, starting from the hub area 13, the last 40% or 30% of the blades 11, 12.
  • an embodiment of the rotor blades is preferred in which they have two sections with forward sweep angles within the radially outer region 23, a section with a backward sweep angle being positioned between these two sections with a forward sweep angle.
  • forward sweep angle and backward sweep angle are to be defined such that a blade 11, 12 on a front edge 16 has a forward sweep angle at a certain radial height if a point on the front edge 16 of a blade cut opposite this radial height the leading edge points is positioned upstream on the hub side adjacent or radially below adjacent or radially within adjacent blade sections.
  • there is a backward sweep angle when a point on the leading edge 16 of the blade section is positioned downstream at a certain radial height relative to the leading edge points on the hub side adjacent or radially below adjacent or radially within adjacent blade sections.
  • neighboring leading edge points are not fluidically offset from one another.
  • the flow direction is visualized by an arrow 24 in FIGS. 1 and 3.
  • the sweep angle refers to the actual flow direction of the rotor blade.
  • the front edge 16 of the blades 11, 12 has a forward sweep angle at a height of approximately 60% to 80% of the radial height of the blades 11, 12.
  • This forward sweep angle is approximately 75% of the radial height of the rotor blades 11, 12 is particularly preferred.
  • a region with a backward sweep angle or zero sweep angle then adjoins this forward sweep angle, the front edge 16 having this backward sweep angle or zero sweep angle at a height of approximately 80% to 90%, in particular at a radial height of approximately 85%.
  • This backward-sweeping angle or zero-sweeping angle is then preferably followed in turn by a region of the front edge 16 with a forward sweeping angle in a range at a radial height of approximately 90% to 100%.
  • Such a configuration of the rotor blades 11, 12 is particularly preferred in terms of gas dynamics or aerodynamics and ensures that the shock wave of a compression shock is in contact with the flow against the rotor blade. This has a positive influence on the efficiency or working range of the compressor.
  • the forward sweep angle and the reverse sweep angle preferably have values up to 20 °. Larger forward sweep angles and backward sweep angles are also possible within the meaning of the invention.
  • the invention relates to the contouring of the blade leading edge in the radially outer region 23, which, as already mentioned, between 50% and 100%, in particular between 60% and 100%, preferably between 70% and 100% , the height of the Laufetzaufei.
  • the area of the blade leading edge 16, which lies between the hub 13 and the radially outer area 23, can be contoured as desired.
  • 3 schematically shows different contours of the front edge 16 in the area between the hub 13 and the radially outer area 23, which is contoured according to the invention.
  • FIG. 3 in this area between the hub 13 and the radially outer area 23 is shown in broken lines Lines show a backward arrow and a solid arrow shows a forward arrow of the front edge 16.
  • the contour of the rear edge 17 can also be freely selected.
  • gas-dynamically and aerodynamically optimized blading of compressor rotors is accordingly provided, in particular the radially outer blade tips of the rotor blades in the region of the leading edges being designed to be gas-dynamically compatible with regard to a compressor shock.
  • the top shaft of a compressor shock rests against the front edge of the rotor blade against which the air flows.
  • the front edge of the rotor blade has at least one hybrid sweep in a radially outer region, this hybrid sweep being formed at least by a forward-swept section and a backward-sweeping section adjoining it radially on the outside.
  • At least the following advantages result: a better efficiency of the compressor is achieved; the compressor has an extended operating range with good efficiency and thus a wider working range; the surge margin of the compressors is optimized; the vibration behavior is improved by the changing radial distribution of the chord length; there is an improved brushing behavior of the moving blades.
  • the butt front bears against the rotor blade designed according to the invention in the radially outer region of the front edge of the flowed rotor blade which is contoured according to the invention. On Such an impact of the impact front on the flow against the compressor blade is optimal in terms of aerodynamics and gas dynamics.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere einen Hochdruckverdichter, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks. Der Verdichter weist mindestens einen Rotor und mehrere dem oder jedem Rotor zugeordnete, zusammen mit dem jeweiligen Rotor rotierende Lauf­schaufeln (11, 12) auf , wobei jede Laufschaufel (11, 12) im wesentlichen von einer Strömungseintrittskante bzw. Vorderkante (16), einer Strömungsaustrittskante bzw. Hinterkante (17) und einer sich zwischen der Vorder­kante (16) und der Hinterkante (17) erstreckenden, eine Saugseite (18) und eine Druckseite bildenden Schaufelblattoberfläche (20) begrenzt wird. Erfindungsgemäß sind die Vorderkanten (16) der Laufschaufeln (11, 12) derart um einen sich mit der Höhe der jeweiligen Laufschaufel (11, 12) ändernden Pfeilungswinkel geneigt, dass die Vorderkanten (11) in einem radial außenliegenden Bereich (23) derselben zumindest einen Vor­wärtspfeilungswinkel, einen sich radial außen anschließenden Rückwärtspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Rückwärtspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel radial außen anschlie­ßenden Vorwärtspfeilungswinkel aufweisen.

Description

Verdichter einer Gasturbine sowie Gasturbine
Die Erfindung betrifft einen Verdichter einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gasturbine, insbesondere ein Flugtriebwerk, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, bestehen aus mehreren Baugruppen, nämlich einem Lüfter bzw. Fan, vorzugsweise mehreren Verdichtern, einer Brennkammer, sowie vorzugsweise mehreren Turbinen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads und Arbeitsbereichs solcher Gasturbinen ist es erforderlich, alle Subsysteme bzw. Komponenten der Gasturbine zu optimieren. Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung des Wirkungsgrads bzw. Arbeitsbereichs von Verdichtern, insbesondere von transsonischen Hochdruckverdichtern.
Verdichter von Gasturbinen bestehen in der Regel aus mehreren in Durchströmung axial hintereinander angeordneten Stufen, wobei jede Stufe von durch einem Rotor zugeordneten, einen Laufschaufelkranz bildenden Laufschaufeln sowie einem Leitschaufelkranz gebildet wird. Die dem Rotor zugeordneten, den Laufschaufelkranz bildenden Laufschaufeln rotieren zusammen mit dem Rotor gegenüber den feststehenden Leitschaufeln und einem e- benfalls feststehend ausgebildeten Gehäuse. Zur Reduzierung von Herstellungskosten werden zunehmend kompakte Bauformen von Verdichtern mit möglichst geringen Stufenzahlen angestrebt. Andererseits steigen aufgrund der stetigen Optimierung des Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs derartiger Verdichter die Gesamtdruckverhältnisse innerhalb der Gasdruckturbine bzw. des Verdichters und damit die Stufendruckverhältnisse zwischen einzelnen Stufen.
Bei zunehmend größer werdenden Stufendruckverhältnissen und zunehmend geringeren Stufenzahlen ergeben sich zwangsläufig höhere Umfangsgeschwindigkeiten der rotierenden Bauteile des Verdichters. Die mit der Reduzierung der Stufenzahl steigenden Drehzahlen führen einerseits zu wachsenden mechanischen Belastungen insbesondere an den mit dem Rotor rotierenden Laufschaufeln und andererseits zu einer sogenannten supersonischen An- strömung der Laufschaufeln sowie zu transsonischen Strömungsverhältnissen innerhalb der Schaufelgitter.
Bei derartigen Strömungsverhältnissen bedarf es einer optimierten, aerodynamischen Auslegung eines Verdichters, wobei bei einer solchen aerody- namischen Auslegung insbesondere auf eine sorgfältige Konturierung der Schaufelprofile sowie der Schaufelvorderkante zu achten ist.
Zur Beeinflussung des Stabilitätsverhaltens eines Fans bzw. Lüfters und damit zur Optimierung des Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs desselben ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, Fanschaufeln eines Fans im Bereich ihrer Vorderkante im Sinne eines Pfeilungswinkels zu neigen. Dabei unterscheidet man Fanschaufeln, deren Vorderkanten im Sinne einer Vorwärtspfeilung geneigt sind, von solchen Laufschaufeln, deren Vorderkanten im Sinne einer Rückwärtspfeilung geneigt sind. Diesbezüglich kann auf die US 5,167,489 verwiesen werden.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Verdichter einer Gasturbine sowie ein neuartige Gasturbine zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der eingangs genannte Verdichter durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Vorderkanten der Laufschaufeln derart um einen sich mit der Höhe der jeweiligen Laufschaufei ändernden Pfeilungswinkel geneigt, dass die Vorderkanten in einem radial außenliegenden Bereich derselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich radial außen an den Vorwartspfeilungswinkel anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der Wirkungsgrad sowie der Arbeitsbereich des Verdichters durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorderkante der Laufschaufeln optimiert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorderkante der Laufschaufeln ergibt sich eine aerodynamisch optimale Lage einer Stoßwelle bzw. Stoßfront des Verdichters bezüglich der Vorderkante der angeströmten Laufschaufei . Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass die Lage der Stoßfront bzw. Stoßwelle des Verdichters bezüglich der Vorderkante der Laufschaufeln zur Bereitstellung eines optimalen Wirkungsgrads sowie Arbeitsbereichs des Verdichters von Bedeutung ist . Die aus dem Stand der Technik bekannten Pfeilungen der Vorderkanten von Fanschaufeln beeinflussen lediglich die Lage einer Stoßfront bzw. Stoßwelle auf einer Saugseite der Fanschaufeln. Es ist demnach eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorderkanten von Verdichterlaufschaufeln eine optimierte Lage der Stoßfront bezüglich der Vorderkan- te, nämlich ein Anliegen der Stoßfront an der Vorderkante im radial außenliegenden Bereich, erzielt werden kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der radial außenliegende Bereich der Vorderkanten, in welchem dieselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen, zwischen 60% und 100%, vorzugsweise zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufeln.
Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Vorderkanten der Laufschaufeln in diesem radial außenliegenden Bereich in der Richtung von radial innen nach radial außen einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel auf. Im dem radial außenliegenden Bereich zwischen 60% und 100%, vorzugsweise zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufel schließen demnach dann zwei vorwärtsgepfeilte Abschnitte einen rückwärtsgepfeilten Abschnitt ein.
Die erfindungsgemäße Gasturbine ist im Patentanspruch 11 definiert.
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 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Ansicht von'radial außen auf zwei Lauf- schaufelprofile des erfindungsgemäßen Verdichters, wobei die beiden LaufSchaufelprofile im Querschnitt entlang der bei in etwa 80% der Schaufelhöhe verlaufenden Schnittlinie I-I gemäß Fig. 3 gezeigt sind; Fig. 2 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Ansicht senkrecht zur Saugseite einer Lauf- schaufel des Verdichters; und Fig. 3 einen schematisierten Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter in einer Meridianebenenansicht des Verdichters mit zusammen mit der Lage eines Verdichtungsstoßes nahe der Vorderkante der Laufschaufei . Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig.
I bis 3 in größerem Detail erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Verdichter 10 im Bereich von zwei Laufschaufeln 11 und 12 in einer Ansicht von radial außen. In Fig. 2 ist neben den Laufschaufeln 11 und 12 auch eine Rotornabe 13 des Verdichters 10 erkennbar. Die Laufschaufeln 11 und 12 rotieren zusammen mit dem Rotor entlang der durch den Pfeil 14 visualisierten Richtung. Ein Pfeil 15 visualisiert die Durchströmungsrichtung bzw. Anströmrichtung des durch die Laufschaufeln 11 und 12 gebildeten Laufschaufelgitters des Verdichters 10. Die Anströmung des LaufSchaufelgitters bzw. der Laufschaufeln 11 und 12 erfolgt dabei vorzugsweise im Überschallbereich, wobei die Abströmung von den Laufschaufeln 11 und 12 im Unterschallbereich erfolgt.
Jede der Laufschaufeln 11 und 12 des Laufschaufelgitters wird im Wesentlichen von einer Strömungseintrittskante bzw. Vorderkante 16, einer Stromungsaustrittskante bzw. Hinterkante 17 und einer zwischen der Vorderkante 16 und der Hinterkante 17 verlaufenden, eine Saugseite 18 und eine Druckseite 19 bildenden Schaufeloberfläche 20 begrenzt. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Anströmung der Laufschaufeln 11 und 12 im Bereich der Vorderkanten 16 vorzugsweise im Überschallbereich, die Abströmung derselben im Bereich der Hinterkanten 17 erfolgt vorzugsweise im Unterschallbereich. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11 und 12 so gestaltet, dass eine gasdynamische Verträglichkeit der Laufschaufeln 11 und 12 mit einem Verdichterstoß gegeben ist. Bei einer derartigen gasdynamischen Verträglichkeit der Laufschaufei 11, 12 mit dem Verdichterstoß liegt eine Stoßfront des Verdichterstoßes im Bereich der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufei 11 an. So zeigen Fig. 1 und 3 eine Stoßfront 21, die bei erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufeln an der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel
II anliegt, und zwar in einem radial außenliegenden Bereich der Vorderkante 16. Ein derartiges Anliegen der Stoßfront 21 an der angeströmten Verdichterschaufel 11 ist aerodynamisch und gasdynamisch optimal . Mit der Bezugsziffer 22 ist in Fig. 1 eine von der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufei 11 beabstandete bzw. abgelöste Stoßfront gezeigt, die sich bei aus dem Stand der Technik bekannten Verdichtern einstellt, deren Laufschaufeln nicht im Sinne der Erfindung ausgebildet sind. Eine derart von der Vorderkante 16 der angeströmten Laufschaufel 11 abgelöste Stoßfront des Verdichterstoßes wird mit der hier vorliegenden Erfindung vermieden, und hierdurch wird der Wirkungsgrad sowie Arbeitsbereich des Verdichters 10 optimiert. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind die Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11, 12 derart um einen sich mit der Höhe der Laufschaufeln ändernden Pfeilungswinkel geneigt, dass die Vorderkanten 16 in einem radial außenliegenden Bereich derselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel radial außen anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen. Dieser Bereich ist in Fig. 2, welche eine Ansicht senkrecht zur Saugseite 18 der Laufschaufei 11 zeigt, mit der Bezugsziffe 23 gekennzeichnet. Die Saugseite 18 der Laufschaufel 11 ist aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung in Fig. 2 schraffiert dargestellt, wohingegen die Saugseite 18 der dahinter positionierten Laufschaufel 12 von der Laufschaufel 11 teilweise verdeckt und nicht-schraffiert dargestellt ist.
Der radial außenliegende Bereich 23 der Vorderkanten 16 der Laufschaufeln, in welchem dieselben zumindest den Vorwartspfeilungswinkel, den sich an den Vorwartspfeilungswinkel radial außen anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und den sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen, liegt zwischen 60% und 100% der radialen Höhe der Laufschaufeln 11, 12. Vorzugsweise liegt dieser Bereich zwischen 70% und 100% der radialen Höhe der Laufschaufeln 11, 12. Die erfindungsgemäße Konturierung der Vorderkanten 16 der Laufschaufeln 11, 12 betrifft demnach den Bereich der Schaufelspitzen der Laufschaufeln 11, 12 - und zwar ausgehend vom Nabenbereich 13 die letzten 40% bzw. 30% der Laufschaufeln 11, 12.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung weisen die Vorderkanten 16 der Laufschaufei 11, 12 in diesem radial außenliegenden Beriech 23 von radial innen nach radial außen gesehen zuerst einen Vorwartspfeilungswinkel, dann einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel und sodann einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel anschließenden, abermaligen Vorwartspfeilungswinkel auf. Bevorzugt ist demnach eine Ausgestaltung der Laufschaufeln, bei welchem dieselben innerhalb des radial außenliegenden Bereichs 23 zwei Abschnitte mit Vorwärtspfeilungswinkeln aufweisen, wobei sich zwischen diesen beiden Abschnitten mit einem Vorwartspfeilungswinkel ein Abschnitt mit einem Ruckwartspfeilungswinkel positioniert ist. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe Vorwartspfeilungswinkel sowie Ruckwartspfeilungswinkel derart definiert sein, dass eine Laufschaufei 11, 12 an einer Vorderkante 16 dann bei einer gewissen radialen Höhe einen Vorwartspfeilungswinkel aufweist, wenn ein Punkt an der Vorderkante 16 eines LaufSchaufelschnitts bei dieser radialen Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter bzw. radial unterhalb benachbarter bzw. radial innerhalb benachbarter Laufschaufelschnitte stromaufwärts positioniert ist. Demgegenüber liegt ein Ruckwartspfeilungswinkel vor, wenn ein Punkt an der Vorderkante 16 des Laufschaufelschnitts bei einer gewissen radialen Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter bzw. radial unterhalb benachbarter bzw. radial innerhalb benachbarter Laufschaufelschnitte stromabwärts positioniert ist. Bei einem Nullpfeilungswinkel sind benachbarte Vorderkantenpunkten strömungstechnisch zueinander nicht versetzt ausgerichtet. Die Durchströmungsrichtung ist in Fig. 1 und 3 durch einen Pfeil 24 visualisiert. Der Pfeilungswinkel bezieht sich auf die tatsächliche Anströmrichtung der Laufschaufei .
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der hier vorliegenden Erfindung verfügt die Vorderkante 16 der Laufschaufeln 11, 12 bei einer Höhe von in etwa 60% bis 80% der radialen Höhe der Laufschaufei 11, 12 über einen Vorwartspfeilungswinkel. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei welcher dieser Vorwartspfeilungswinkel bei einer Höhe von in etwa 75% der radialen Höhe der Laufschaufei 11, 12 liegt. An diesen Vorwartspfeilungswinkel schließt sich dann ein Bereich mit einem Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel an, wobei die Vorderkante 16 bei einer Höhe von in etwa 80% bis 90%, insbesondere bei einer radialen Höhe von in etwa 85%, diesen Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel aufweist. An diesen Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel schließt sich dann bevorzugt in einem Bereich bei einer radialen Höhe von in etwa 90% bis 100% wiederum ein Bereich der Vorderkante 16 mit einem Vorwartspfeilungswinkel an. Eine derartige Ausgestaltung der Laufschaufeln 11, 12 ist gasdynamisch bzw. aerodynamisch besonders bevorzugt und gewährleistet ein Anliegen der Stoßwelle eines Verdichtungsstoßes an der angeströmten Laufschaufel. Hierdurch wird der Wirkungsgrad bzw. Arbeitsbereich des Verdichters positiv beeinflusst.
Es sei darauf hingewiesen, dass Vorwartspfeilungswinkel sowie Ruckwartspfeilungswinkel vorzugsweise Werte bis zu 20° aufweisen. Es sind a- ber auch größere Vorwartspfeilungswinkel und Ruckwartspfeilungswinkel im Sinne der Erfindung möglich. Wie aus der obigen Darstellung der Erfindung ersichtlich ist, betrifft die Erfindung die Konturierung der Schaufelvorderkante in dem radial außenliegenden Bereich 23, der wie bereits erwähnt zwischen 50% und 100%, insbesondere zwischen 60% und 100%, bevorzugt zwischen 70% und 100%, der Höhe der Laufschaufei liegt.
Der Bereich der Schaufelvorderkante 16, der zwischen der Nabe 13 und dem radial außenliegenden Bereich 23 liegt, kann beliebig konturiert sein. So zeigt Fig. 3 schematisiert unterschiedliche Konturierungen der Vorderkante 16 im Bereich zwischen der Nabe 13 und dem erfindungsgemäß konturier- ten, radial außenliegenden Bereich 23. So ist in Fig. 3 in diesem Bereich zwischen der Nabe 13 und dem radial außenliegenden Bereich 23 in gestrichelter Linienführung eine Rückwärtspfeilung und mit durchgezogener Linienführung eine Vorwärtspfeilung der Vorderkante 16 dargestellt. Hierdurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass die Konturierung der Vorderkante 16 im Bereich zwischen der Nabe 13 und dem erfindungsgemäß kon- turierten, radial außenliegenden Bereich 23 frei gewählt werden kann. E- benso kann die Konturierung der Hinterkante 17 frei gewählt werden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine gasdynamisch sowie aerodynamisch optimierte Beschaufelung von Verdichterrotoren bereitgestellt, wobei insbesondere die radial außenliegenden Schaufelspitzen der Laufschaufeln im Bereich der Vorderkanten im Hinblick auf einen Verdichterstoß gasdynamisch verträglich ausgeführt sind. Die Kopfwelle eines Verdichterstoßes liegt an der Vorderkante der angeströmten Laufschaufel an. Dies wird dadurch erreicht, dass die Vorderkante der Lauf- schaufel in einem radial außenliegenden Bereich zumindest eine hybride Pfeilung aufweist, wobei diese hybride Pfeilung zumindest von einem vorwärtsgepfeilten Abschnitt und einem sich hieran radial außen anschließenden, rückwärtsgepfeilten Abschnitt gebildet wird.
Es ergeben sich zumindest die folgenden Vorteile: es wird ein besserer Wirkungsgrad des Verdichters erzielt; der Verdichter verfügt über einen erweiterten Betriebsbereich mit gutem Wirkungsgrad und damit über einen breiteren Arbeitsbereich; der Pumpgrenzabstand der Verdichters wird optimiert; das Schwingungsverhalten wird durch die sich einstellende, geänderte radiale Verteilung der Sehnenlänge verbessert; es stellt sich ein verbessertes Anstreifverhalten der Laufschaufeln ein. Wie Fig. 1 und 3 entnommen werden kann, liegt die Stoßfront an der erfindungsgemäß ausgebildeten Laufschaufel im radial außenliegenden, erfindungsgemäß kontu- rierten Bereich der Vorderkante der angeströmten Laufschaufei an. Ein derartiges Anliegen der Stoßfront an der angeströmten Verdichterschaufel ist aerodynamisch und gasdynamisch optimal .

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter, insbesondere Hochdruckverdichter, einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit mindestens einem Rotor und mehreren dem oder jedem Rotor zugeordneten, zusammen mit dem jeweiligen Rotor rotierenden Laufschaufeln (11, 12), wobei jede Laufschaufel (11, 12) im wesentlichen von einer Strömungseintrittskante bzw. Vorderkante (16), einer Stromungsaustrittskante bzw. Hinterkante (17) und einer sich zwischen der Vorderkante (16) und der Hinterkante (17) erstreckenden, eine Saugseite (18) und eine Druckseite (19) bildenden Schaufelblattoberfläche (20) begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (16) der Laufschaufeln (11, 12) derart um einen sich mit der Höhe der jeweiligen Laufschaufei (11, 12) ändernden Pfeilungswinkel geneigt sind, dass die Vorderkanten (11) in einem radial außenliegenden Bereich (23) derselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel radial außen anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel radial außen anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen.
2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außenliegende Bereich (23) der Vorderkanten (16), in welchem dieselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich hieran anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen, zwischen 60% und 100% der Höhe der Laufschaufei (11, 12) liegt.
3. Verdichter nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der radial außenliegende Bereich (23) der Vorderkanten (16) , in welchem dieselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich hieran anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen, zwischen 65% und 100% der Höhe der Laufschaufel (11, 12) liegt.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außenliegende Bereich (23) der Vorderkanten (16), in welchem dieselben zumindest einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich hieran anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel oder Nullpfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel oder den Nullpfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen, zwischen 70% und 100% der Höhe der Laufschaufei (11, 12) liegt.
Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (16) in diesem radial außenliegenden Bereich (23) in der Richtung von radial innen nach radial außen einen Vorwartspfeilungswinkel, einen sich an den Vorwartspfeilungswinkel anschließenden Ruckwartspfeilungswinkel und einen sich an den Ruckwartspfeilungswinkel anschließenden Vorwartspfeilungswinkel aufweisen.
Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (16) bei einer Höhe von in etwa 60% bis 80% der radialen Höhe der Laufschaufeln (11, 12) einen Vorwartspfeilungswinkel aufweisen.
Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (16) bei einer Höhe von in etwa 80% bis 90% der radialen Höhe der Laufschaufeln (11, 12) einen Ruckwartspfeilungswinkel oder einen Nullpfeilungswinkel aufweisen. -.
Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkanten (16) bei einer Höhe von in etwa 90% bis 100% der radialen Höhe der Laufschaufeln (11, 12) einen Vorwartspfeilungswinkel aufweisen.
Verdichter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufschaufei (11, 12) an einer Vorderkante (16) dann bei einer gewissen radialen Höhe einen Vorw rtspfeilungswinkel aufweist, wenn ein Punkt der Vorderkante (16) des LaufSchaufelschnitts bei dieser Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter Laufschaufelschnitte stromaufwärts positioniert ist.
10. Verdichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufschaufei (11, 12) an einer Vorderkante (16) dann bei einer gewissen radialen Höhe einen Ruckwartspfeilungswinkel aufweist, wenn ein Punkt der Vorderkante (16) des LaufSchaufelschnitts bei dieser Höhe gegenüber den Vorderkantenpunkten nabenseitig benachbarter Laufschaufelschnitte stromabwärts positioniert ist.
11. Gasturbine, insbesondere Flugtriebwerk, mit mindestens einem Verdichter, insbesondere einem Hochdruckverdichter, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.
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