WO2011026714A1 - Verdichterlaufschaufel für einen axialverdichter - Google Patents

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WO2011026714A1
WO2011026714A1 PCT/EP2010/061580 EP2010061580W WO2011026714A1 WO 2011026714 A1 WO2011026714 A1 WO 2011026714A1 EP 2010061580 W EP2010061580 W EP 2010061580W WO 2011026714 A1 WO2011026714 A1 WO 2011026714A1
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blade
chord
compressor
profile
profiles
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PCT/EP2010/061580
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Georg Kröger
Christian Cornelius
Eberhard Nicke
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Siemens Aktiengesellschaft
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Priority to ES10743094.4T priority patent/ES2548254T3/es
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
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    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • Y10S416/00—Fluid reaction surfaces, i.e. impellers
    • Y10S416/05—Variable camber or chord length

Definitions

  • the invention relates to a Ver Whyrlaufschaufei for an axial compressor according to the features of the preamble of claim 1.
  • Compressor blades for axial compressors are known from the prior art in a large scale.
  • EP 0 991 866 B1 discloses a compressor blade having a profile whose suction side contour has a radius of curvature smaller than half the length of the chord on a suction side intersection with a reference line perpendicular to the chord at 5% of the chord length.
  • Unevenness of the flow at the exit of subsonic compressor blades is reduced due to the reduction of the pressure gradient.
  • the pressure gradient in front and middle area in the passages between the blades are reduced.
  • the leading edge region is rotated in the direction of the suction side of the airfoil, whereby the front, ie upstream, region of the airfoil has a reverse curvature compared to the rearward, ie downstream, region of the airfoil.
  • the object of the invention is to provide a compaction has terlaufschaufei with a blade tip, which drove particularly low leakage currents and radial clearance losses during loading ⁇ in a turbomachine.
  • a compressor rotor for an axial compressor with a curved blade, which comprises a pressure side wall and a suction side wall, which in each case from a common leading edge to a common trailing edge and on the other hand to form a span of a mounting side blade end to an airfoil tip, wherein for each airfoil height present along the span, the airfoil has a profile with a suction side contour and a pressure side contour, an at least partially curved skeleton line and a straight chord, which contours, skeleton line and chord each extend from one on the leading edge arranged leading edge point to a rear edge point arranged on the trailing edge, wherein that at least one of the skeleton lines of the profile in a region of the blade tip (ie some skeleton lines of the blade spit zseit profiles) have at least two turning points.
  • the invention is based on the finding that losses in the radial gap can be reduced if a gap vortex which is also responsible for the losses is correspondingly influenced.
  • the gap vortex which is generated and driven by the gap mass flow, compared to a conventional airfoil tip profile, now later, ie at a downstream point, arise.
  • the splitting vortex which thus arises later relative to the conventional profile, can be explained by a lower load on the improved profile at the leading edge.
  • the gap vortex Due to the suction-side contour of the profile bend, the gap vortex develops along a line which also has a bend downstream of the bend of the suction side contour.
  • the Early bending of the gap vortex coincides with the strong to ⁇ the mass flow density increased in the radial gap to its maximum and the subsequent decrease of the same together.
  • the gap vortex line depends on its kink at a larger angle from the suction side wall than in the herkömmli ⁇ chen profile of the case. As a result, the gap ⁇ vortex continues to run away from the suction side at a greater distance than in conventional profiling.
  • the larger angle is due to the larger gradient of the mass flow density of the Spaltströmung both in the increase and in the waste.
  • the first of the two turning points in the case of perpendicular projection on the chord on this one first projection point, which is removed from the leading edge point between 10% and 30% of the length of the chord.
  • the second of the two points of inflection in the case of a vertical projection on the chord, predetermines the chord on this one second projection point, which is 30% to 50% of the length of the chord from the leading edge point.
  • the two turning points lie apart Minim ⁇ least 3% of the length of the chord.
  • the skeleton lines of the profiles comprise a front portion which extends from the leading edge point up to extends an end point of the front portion, the Pro ⁇ jection point is at a vertical projection on the chord from the leading edge point between 2% and 10% of the length of Pro ⁇ filsehne removed, wherein at least some of the front sections, preferably all of the front sections of the blade tip side profiles a Radius of curvature aufwei ⁇ sen, which is greater than 100 times the chord.
  • the front portions of the skeleton line of blade tip side profiles respectively correspond to a straight line, or at least almost.
  • the profile is symmetrical in the relevant front section-virtually without buckling-which means that even the local velocity distribution around the blade tip side leading edge region of the blade leaves virtually no pressure potential from the pressure side to the suction side.
  • the pressure ⁇ potential between the pressure side and suction side in the leading edge ⁇ area as the cause of the occurrence of the crevasse vortex and thus as a cause for the gap losses is considered here causes this relief of the leading edge region attenuation and a delayed, ie downstream ⁇ kick the crevice vortex
  • the Saugateenkon ⁇ tur and the pressure side contour of blade tip side profiles in the front portion of the skeleton line are symmet ⁇ risch trained or in a wedge shape with almost straight contour sections on the suction side and pressure side.
  • each front portion of an angle of incidence with respect to a ankom ⁇ Menden gas flow whereby in addition to or instead of the almost straight front camber line portion of at least some of the angle of attack, but preferably all Anstell ⁇ angle of the blade sharp side profiles are smaller than the angle of attack of the remaining Profiles of the airfoil.
  • the angle of the front portion Skelettlinien- Schaufelspitz sided profiles this case are smaller than 10 °, preferably even 0 °.
  • the metal entry angle of the blade tip-side profiles is significantly smaller than the metal entry angle of the others Profiles of the airfoil. It can thus be said that the leading edge region of the blade tip, in
  • leading edge points preferably all leading edge points of the blade tip-side profiles
  • the leading edge of the profiles for blade tips is preceded by an extension of the profile to the front - in the upstream direction - compared to the rest of the leading edge. This has the consequence that no radia ⁇ ler pressure gradient in the leading edge region of the blade airfoil can work top, so that it can not come to a potential between pressure side and suction side and in the radial pressure distribution.
  • the remaining area of the airfoil, from a mounting-side airfoil end to a blade height of at least 80% of the span, may be profiled in a conventional manner.
  • the invention in principle relates to a modi fied ⁇ blade tip arranged in a ring compressor rotor blades for axial compressors.
  • the skeleton lines comprise a rear portion, which in each case extends from a starting point of the rear portion to the Hin ⁇ terkantentician, wherein the rear portion of ⁇ at least some, preferably all shovel tip skeleton lines has a greater curvature than the rear portions of skeleton lines of the other profiles of the show ⁇ felblatts. Consequently, the outlet metal angles of blade tip-side profiles are smaller than the outlet metal angles of profiles at the level of half the span or in the region of the attachment-side, ie hub-side
  • the trailing edge is therefore more curved in the blade tip area than in the remaining area of the blade.
  • the increased curvature leads to a larger work conversion in the preferably rear 40% of the airfoil, so that overall the load of the airfoil is shifted to the rear.
  • This embodiment can serve as a balance of relief on the leading edge to achieve despite the relief of the blade tip side profile in the front region of the chord still a high work transformation.
  • the flow of the following guide blade in the outer annular wall region can thus also be improved by reducing the blockage in the blade tip region of the compressor blade. This reduces the local misfire of the downstream vanes.
  • Preferred dimensions are at least some, preferably all of the blade tip-side profiles in the "Aft-Loaded Design” and the other, ie not schaufelspitz solutionen profiles in the "Front Loaded Design” configured.
  • the person responsible for the gap losses spina bifida can be extremely efficient affected if the Saugsei ⁇ tenkontur and the pressure side contour at least three consecutive curved sections with alternating sign have, which adjoin adjacent curved portions in each case a turning point.
  • the blade tip is freestanding.
  • the respective profiles are selected so that adjusts itself in a maximum at ⁇ closing suction side of the Sauguzeenkontur with a maximum length of 15% of the length of the chord, a gradient of speed, the slope is maximum.
  • the gap vortex is severely underserved for its size, which causes it to move away from the surface of the suction side at a larger angle.
  • the further explanation of the invention is based on the embodiment shown in the drawing.
  • FIGs 2, 3, 6 the velocity distributions along the
  • FIG 8 shows the topology of Spaltwirbeltraj ectors for the profile according to the invention and the conventional profile and
  • Figures 9, 10 are perspective views of the freest ⁇ rising blade tip of a erfindungsge ⁇ MAESSEN Ver Whyrlaufschaufei.
  • FIG 9 and FIG 10 each show a freestanding compressor ⁇ moving blade 10 from different perspectives.
  • their Airfoil 12 includes a pressure sidewall 14 and a suction sidewall 16, which on the one hand in each case open from a ⁇ common itself, is traversed by the gas flow leading edge 18 to a common trailing edge 20 and on the other dung a span of a in Figures 9 and 10 with formation not shown fastening side airfoil end to a blade tip 22 extend.
  • the attachment-side airfoil end can be a platform and a platform arranged thereon in a known manner Shovel be provided. Actuating depending on the type and manner of the blade root of the Befes- Verêtrlaufschaufei 10 ent ⁇ neither dovetail, firtree or hammer-shaped.
  • the compressor rotor may also be welded to a rotor. Mounted in the rotor of an axial compressor the Orien ⁇ orientation of the blade 12 is such that the
  • Airfoil 12 extends from the front edge 18 to the trailing edge 20 in approximately the axial direction of the axial compressor, which is designated in the coordinate system associated with FIG 9 and FIG with the axis X.
  • the radial direction of the axial displace ⁇ dichters coincides with the Z-axis of the coordinate system shown, and the tangential direction, that is, the circumferential direction with the Y-axis. A span of the airfoil 12 is thus detected in the Z-axis direction.
  • compressor blades 10 are designed for axial compressors in such a way that along a rectilinear or slightly curved, not shown
  • Stacking axis different or identical profiles are ⁇ strung to ⁇ whose enclosed space the Define the blade 12.
  • each profile has a centroid on the stack axis.
  • a profile is understood in detail to mean an endless polyline, which comprises a suction-side contour and a pressure-side contour of an airfoil.
  • the contours meet on the one hand in a leading edge point and on the other hand in a trailing edge point, which are also part of the profile and lie on the corresponding edge of the airfoil.
  • Such a profile exists for each existing along the span shovel ⁇ leaf height.
  • the profile represents the contour of a cross section through the airfoil for a specific blade height, wherein the cross section ⁇ either perpendicular to the radial direction of the Axialver or slightly inclined - according to a Ringkanalkontrakom - may be oriented.
  • printed page contours 40 of three profiles 28, 30 are shown in solid line.
  • a plurality of suction side contours 42 of profiles 28, 30 of different blade blade heights are also shown in solid lines.
  • FIG 9 and FIG 10 curved blade 12 has a comparison with the prior art according to the invention modified blade tip region 43, the specific configuration and operation will be described in more detail below.
  • FIG 1 two fundamentally different profiles 28, 30 are shown.
  • the first, shown in dotted line type profile 28 shows a cross section through the Ver Whyrlauf- blade or vane 10 according to FIG 10 in a blade height of half the span of the blade 12.
  • the profile 28 may be a conventional, known from the prior art Pro ⁇ fil.
  • the profile shown in solid line 30 shows a cross section through the inventive compressor rotor 10 according to FIG 10 in the area 43 of the blade tip 22.
  • Each profile 28, 30 of FIG 1 has a skeleton line associated therewith, for reasons of clarity in 1 shows only one skeleton line 32 of the blade tip-side profile 30 is shown in dashed line style.
  • the skeleton line 32 begins at a leading edge point 24, terminates at an associated trailing edge point 26, and is always centered between the pressure side contour 40 and suction side contour 42. It is also known as the profile center line.
  • profiles are also defined in the prior art with the aid of a straight chord.
  • the chord is a straight line which extends from the leading edge ⁇ point to the trailing edge point.
  • FIG. 1 only one profile chord 34 for the blade tip-side profile 30 is shown. Since the profile chord 34 is subsequently used for the geometrical definition of significant points of the profile 30, its length is normalized to one, wherein in the leading edge point 24, the length of the chord 0% and in the trailing edge point 26, the length of the chord 100%. This also means a relative chord length.
  • the normalized chord 34 is indicated by x / c.
  • the profile 30 shown in FIG 1 is representative of the radially outermost of the blade tip side profiles 30.
  • the conventional profile 28 shown in FIG 1 is on the one hand representative of the known from the prior art profiles and on the other hand for the other profiles of the compressor blade 10th Sub the remaining sections 28 are the ones to understand which are not arranged schaufelspitzsei- tig and thus for example in the soapy mounting area of the blade 12 or the center between airfoil tip 22, and may be arranged to the fastening-side show ⁇ felblattende.
  • the transition from the conventional profile 28 to the blade tip-side profile 30 takes place, as shown in FIG 10, steplessly.
  • a characteristic feature of a compressor runner 10 according to the invention is that the skeleton lines 32 of the blade tip-side profiles 30 have at least two turning points 36, 38.
  • the skeleton line 32 upstream of the front ⁇ th inflection point 36 has a first curvature section A with a first curvature and downstream of the first turning point 36 to the second inflection point 38 has a second curvature B with a second curvature.
  • the signs of the first curvature and the second curvature are different.
  • a third curvature section C follows, whose curvature in turn has a different sign than that of the second curvature.
  • the predominantly convex curved suction side contour 42 has a concave shape in a section D between 35% and 50% of the relative chord length.
  • the mainly concavely curved ge ⁇ pressure side contour 40 has a section E, which is convex. Contrary to the previous known from the prior art profile shapes for compressor blades of axial compressors this concave Sauguzeenkon- turabrough D and convex pressure side contour section E leads to a locally kinking profiling, which is referred to here as a profile kink.
  • first of the two turning ⁇ points 36 when perpendicular to the profile chord on this predetermines a first projection point AP, which is removed from the leading edge point 24 between 10% and 30% of the length of the profile tendon 34 and in the the second of the two
  • the skeleton line 32 of blade tip side profiles 30 in a rear portion G has a greater curvature than the rear portions of skeleton lines of the remaining profiles 28 of the airfoil 12.
  • the rear portion G of the skeleton line 32 extends from the section start point GA to the trailing edge point 26 of the skeleton line 32, which section start point GA when projecting onto the chord 34 on this one projection point GP, which is removed from the leading edge point 24 a maximum of 60% of the length of the chord 34.
  • the shovel-pointed side profile 30 comprises a skeleton line 32 with a prede ⁇ ren H section.
  • the front portion H of ⁇ skeleton line 32 extends from the leading edge point 24 to a projection point HP of the skeleton line 32, which is located at 10% of the length of the chord 34th
  • the projection point HP results from the projection of an end point HE of the front portion H perpendicular to the chord 34.
  • the skew ⁇ lettline 32 is almost not arched, ie approximately straight.
  • the thickness distribution which is known to be applied perpendicular to the skeleton line 32 on both sides to the same Tei ⁇ len, here chosen so that there is a wedge-shaped leading edge region for the blade tip side profiles 30 in principle.
  • a symmetrical course of the suction side contour 42 and pressure side contour 40 is symmetrically desirable.
  • the VELOCITY ⁇ speed distribution is thereby recorded on that blade height of compressor rotor blades, which is removed 0.5% of the gap ⁇ size of a radial gap between the blade tip 22 and the surrounding annular wall of the axial compressor of the airfoil tip 22nd
  • dashed line type the speed distributions 48, 50 of a conventional profile 28 for the suction side wall 16 and pressure side wall 14 are shown in FIG. 2, FIG. 3 and FIG.
  • the velocity distributions 44, 46 for the suction side wall 16 and pressure side wall 14 of the blade tip-side profile 30 are shown in full line.
  • the respective lower line represents the velocity distribution for the corresponding pressure-side
  • each top line represents the VELOCITY ⁇ speed distribution for the corresponding suction side.
  • Characteristic ⁇ is that the profile shape of the airfoil 12 blade tip side is selected so that the speed increase is achieved to a maximum speed in a maximum location at about 20% of the length of the chord 34 in the shortest possible chord section. Furthermore, a comparatively large decrease in the speed of the suction-side gas flow in a profile chord section that is as short as possible is desired in the subsequent 15% of the chord 34 following the maximum location. Insbeson ⁇ particular this speed course along the suction sides ⁇ wall 16 causes a responsibility for the gap losses ⁇ wortaji gap vortex is evidence ER- with relatively more energy, but continues to be fed only comparatively little energy by the large speed decrease after reaching the maximum velocity that which weakens him all the more. Overall, this leads to redu ⁇ ed radial gap losses.
  • FIG. 3 and FIG. 6 give a further overview of the effects caused by the profile bend.
  • the Mach number distributions of the conventional one are again Profile 28 and the blade tip side profile 30 shown on the relative chord length.
  • FIG 4 describes the schau- felspitz solutione profile 30 in ungestaffelten m'-theta Koordi ⁇ natensystem.
  • the lower illustration, FIG. 5, shows a curvature 52 of the suction side contour 42 and a curvature 54 of FIG. 5
  • Mass flow density for a conventional profile 28 is denoted by 58, that for the blade tip-side profile 30 by 60.
  • For the blade tip-side profile 30 is a clear relationship between the increase in the pressure potential and the increase in the mass flow density in the radial gap recognize.
  • the mass flow density in the radial gap also reached its globa ⁇ les maximum shortly after the profile described crease.
  • the global maximum of the mass flow density for the schaufelspitzsei ⁇ term profile 30 is higher than the conventional one.
  • the Ab ⁇ fall of the mass flow density in the radial gap to its maximum is also greater than in the conventional profiling 28th
  • the gap vortex line for the conventional profile 28 is 62 ⁇ be distinguished, the gap vortex line for the blade tip profile with 64. Relative to the leading edge 18 of the gap ⁇ vortex arises at the blade tip side profile 30 clearly later - based on the relative chord length of the respective profile - and then kinks from the suction side wall 16 at a greater angle than in the conventional profiling 28.
  • the early kinking of the slit vortex coincides with the sharp increase in mass flow density to its maximum and that following decrease of the same together.
  • the larger angle is due to the larger gradient in both the increase and decrease in mass flow density.
  • the relative to the conventional profile 28 relatively late emergence of the crevice vertebra can be explained by the low load on the improved profile 30 at the front edge 18.
  • the invention thus relates to a compressor run 10 for axially flowed compressor preferably stationary gas turbine.
  • the invention provides that in order to reduce radial gap losses, the skeleton line 32 of the blade tip-side profiles 30 of the blade 12 of the compressor blade 10 have at least two inflection points 36, 38. Due to the presence of two turning points 36, 38 are obtained for the suction surface 42 in the portion from 35% to 50% of a Saugnchkonturab mustard D which is concaveaded ⁇ det and a Druckierikon- for the pressure side contour 40 turabrough E, which is convex. With this geometry, it is possible to generate low-loss gap swirl to increase the overall efficiency of a vehicle equipped with these Ver ⁇ tight running blades 10 axial compressor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichterlaufschaufel (10) für axial durchströmte Verdichter vorzugsweise stationärer Gasturbinen. Es ist vorgesehen, dass zur Reduzierung von Radialspaltverlusten die Skelettlinie (32) der schaufelspitzseitigen Profile (30) des Schaufelblatts (12) der Verdichterlaufschaufel (10) mindestens zwei Wendepunkte (36, 38) aufweisen Durch das Vorhandensein zweier Wendepunkte (36, 38) ergeben sich für die Saugseitenkontur (42) im Abschnitt von 35 % bis 50 % ein Saugseitenkonturabschnitt (D), der konkav ausgebildet ist und für die Druckseitenkontur (40) ein Druckseitenkonturabschnitt (E), welcher konvex ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser Geometrie ist es möglich, verlustärmere Spaltwirbel zu generieren, um den Gesamtwirkungsgrad eines mit diesen Verdichterlauf schauf ein (10) ausgestatteten Axialverdichters zu erhöhen.

Description

Beschreibung
Verdichterlaufschaufei für einen Axialverdichter
Die Erfindung betrifft eine Verdichterlaufschaufei für einen Axialverdichter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Verdichterschaufeln für Axialverdichter sind aus dem Stand der Technik in umfangreicher Art bekannt. Beispielsweise offenbart die EP 0 991 866 Bl eine Verdichterschaufel mit einem Profil, dessen Saugseitenkontur an einen Saugseitenschnittpunkt mit einer die Profilsehne bei 5% der Länge der Profilsehne senkrecht schneidenden Bezugsgeraden einen Krümmungsradius aufweist, der kleiner als die Hälfte der Länge der Profilsehne ist. Dadurch soll erreicht werden, dass nach vergleichsweise kurzer Strecke der Umströmung des Schaufel¬ blatts auf der Saugseite das Geschwindigkeitsmaximum erreicht wird und der Ort des Umschlages der Strömung von laminar nach turbulent mit dem Ort des Geschwindigkeitsmaximums zusammen¬ fällt, wodurch dieses Profil einen besonders großen Arbeits¬ bereich aufweist, in dem es effizient die Gasströmung verdichtet .
Des Weiteren ist bekannt, dass an den Schaufelblattspitzen von Verdichterlaufschaufeln sogenannte Radialspaltverluste auftreten. Hierbei geht ein Teil des Druckgewinns beim Be¬ trieb des Axialverdichters dadurch verloren, dass über die Schaufelblattspitze hinweg von einer Druckseite des Schaufel¬ blatts zu einer Saugseite des Schaufelblatts sich eine Lecka¬ geströmung einstellt. Um diese Leckageströmung zu reduzieren, ist es bekannt, dass ein zwischen den Schaufelblattspitzen und einer dieser gegenüberliegenden Ringwand des Verdichter- kanals ausgebildeter Radialspalt stets möglichst klein zu halten ist. Nichtsdestotrotz müssen dabei Mindestgrößen von Spaltmaßen eingehalten werden, um ein Anstreifen von Schaufelblattspitzen an der Ringwand zu vermeiden. Dies gilt dabei insbesondere für instationäre Betriebszustände, bei denen thermisch bedingte Dehnungen sowohl von Kanalwand als auch Laufschaufeln noch nicht abgeschlossen sind. Zudem war es häufig so, dass die bisherige Profilierung von Schaufelblattspitzen lediglich auf die besonderen Zuströmbedingungen im Bereich der Ringwand angepasst war. Die eigent¬ liche Profilierung erfolgte allerdings nicht unter Berück¬ sichtigung der tatsächlichen dreidimensionalen Strömungs- effekte an der Schaufelblattspitze. Konventionell ausgelegte Schaufelblattprofilierungen wurden daher nicht optimal an die komplexen Strömungsbedingungen im Bereich der Schaufelblattspitze angepasst. Dadurch besteht insbesondere bei Verdich¬ terlaufschaufeln mit kleiner Spannweite und großen relativen Spalthöhen (in Bezug auf Spannweite) ein beachtliches Verbes¬ serungspotential .
Da moderne, wie aus der EP 0 991 866 Bl bekannte Turbomaschi¬ nenbeschaufelungen mittlerweile eine sehr hohe aerodynamische Effizienz erreicht haben, entsteht mit der Tendenz zu immer höheren Profilbelastungen ein zunehmender Anteil an den Gesamtverlusten durch diese Radialspaltverluste, die im äußeren wandnahen Bereich des Ringraums auftreten. Eine Reduktion dieser erheblichen Verluste bewirkt somit eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades von Turbomaschinen und von Axialverdichtern .
Um diese Radialspaltverluste zu reduzieren, ist beispiels¬ weise aus der SU 1 751 430-A1 bekannt, die Schaufelblatt- spitze von Laufschaufein eines Axialverdichters nach Form eines S auszubilden. Die Skelettlinie des Profils wird von zwei zueinander gegenläufigen Kreisbögen gebildet, die an einem Wendepunkt ineinander übergehen. Der Wendepunkt befindet sich dabei im Bereich zwischen 5% und 15% der relativen Sehnenlänge. Hierdurch werden Sekundärströmungsverluste und
Ungleichförmigkeiten der Strömung am Ausgang von subsonischen Verdichterschaufeln vermindert aufgrund der Reduzierung des Druckgradienten. Insbesondere soll dabei der Druckgradient im vorderen und mittleren Bereich in den Passagen zwischen den Laufschaufeln reduziert werden. Gemäß der SU 1 751 430-A1 ist der Vorderkantenbereich in Richtung der Saugseite des Schaufelblatts gedreht, wodurch der vordere, d.h. stromaufwärtige Bereich des Profils eine umgekehrte Wölbung im Vergleich zu dem hinteren, d.h. stromabwärtigen Bereich des Schaufelprofils aufweist.
Ungeachtet der bereits vorhandenen Lösungen besteht weiterhin ein großes Interesse an der Reduzierung von Radialspaltverlusten von Turbomaschinen, um die Effizienz dieser Maschinen weiter zu vergrößern.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Verdich- terlaufschaufei mit einer Schaufelblattspitze, die besonders geringe Leckageströmungen und Radialspaltverluste beim Be¬ trieb in einer Turbomaschine aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einer Verdichterlaufschaufei für einen Axialverdichter, mit einem gekrümmten Schaufelblatt gelöst, welches eine Druckseitenwand und eine Saugseitenwand umfasst, die sich zum einen jeweils von einer gemeinsamen Vorderkante zu einer gemeinsamen Hinterkante und zum anderen unter Bildung einer Spannweite von einem befestigungsseitigen Schau- felblattende zur einer Schaufelblattspitze erstrecken, wobei für jede entlang der Spannweite vorhandene Schaufelblatthöhe das Schaufelblatt ein Profil mit einer Saugseitenkontur und einer Druckseitenkontur, eine zumindest teilweise gewölbte Skelettlinie und eine geradlinige Profilsehne aufweist, wel- che Konturen, Skelettlinie und Profilsehne sich jeweils von einem auf der Vorderkante angeordneten Vorderkantenpunkt zu einem auf der Hinterkante angeordneten Hinterkantenpunkt erstrecken, wobei dass zumindest eine der Skelettlinien des Profils in einem Bereich der Schaufelblattspitze (also einige Skelettlinien der schaufelspitzseitigen Profile) mindestens zwei Wendepunkte aufweisen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Verluste im Radialspalt reduziert werden können, wenn ein für die Verluste auch erantwortlicher Spaltwirbel entsprechend beein- flusst wird. Erfindungsgemäß soll der Spaltwirbel, welcher von dem Spaltmassenstrom erzeugt und angetrieben wird, verglichen mit einem herkömmlichen Schaufelblattspitzenprofil, nun später, d. h. an einer stromabwärtigeren Stelle, entstehen. Der somit relativ zum herkömmlichen Profil später entstehende Spaltwirbel lässt sich durch eine geringere Belas- tung des verbesserten Profils an der Vorderkante erklären.
Entgegen dem bisherigen generellen Bestreben, den Spaltwirbel insgesamt zu schwächen, soll erfindungsgemäß nun ein stärke¬ rer lokaler Impuls zur Erzeugung des Spaltwirbels generiert werden, wobei dann dessen strömungstechnische Unterstützung jedoch wesentlich stärker abnehmen soll als beim herkömmlichen Profil. Insgesamt führt dies zu geringen Strömungsver¬ lusten im Radialspalt. Um den gewünschten Spaltwirbel zu erzeugen, weisen zumindest einige der Skelettlinien, vorzugsweise alle Skelettlinien der schaufelspitzseitigen Profile mindestens zwei Wendepunkte auf. Durch das Vorhandensein zweier Wendepunkte in der Skelettlinie und durch die Verwen¬ dung einer herkömmlichen Dickenverteilung weisen die schau- felspitzseitigen Profile, und auch die Saugseitenkontur und die Druckseitenkontur einen für das fachmännische Auge eher außergewöhnlichen Knick auf, welcher in Bezug für das betreffende Profil nachfolgend als Profilknick bezeichnet wird. Der Profilknick an sich verursacht an seiner Stelle einen lokalen Anstieg des Spaltmassenstroms, der den Spaltwirbel, wie ge¬ wünscht, stärker als bisher antreibt und ihn von der Saug- seite des Schaufelblatts wegtreibt. In der stromabwärtigen
Zone hinter dem Knick in der Saugseitenkontur fällt die Mas- senstromdichte im Radialspalt wesentlich stärker ab als beim Verwenden von bisherigen Profilierungen an der Schaufelblattspitze. Insgesamt ergibt sich so ein verringerter Spaltmas- senstrom, verglichen mit den herkömmlichen Profilierungen.
Durch die saugseitige Kontur des Profilknicks entwickelt sich der Spaltwirbel entlang einer Linie, welche ebenfalls einen Knick stromab des Knicks der Saugseitenkontur aufweist. Das frühe Abknicken des Spaltwirbels fällt mit dem starken An¬ stieg der Massenstromdichte im Radialspalt zu ihrem Maximum und dem darauf folgenden Absinken desselben zusammen. Die Spaltwirbellinie steht nach ihrem Knick unter einem größeren Winkel von der Saugseitenwand ab als dies bei dem herkömmli¬ chen Profil der Fall ist. Hierdurch läuft fortan der Spalt¬ wirbel mit größer werdendem Abstand von der Saugseite weg als bei der herkömmlichen Profilierung. Der größere Winkel ist dem größeren Gradienten der Massenstromdichte der Spaltströ- mung sowohl beim Anstieg als auch beim Abfall geschuldet.
Insgesamt verursacht die erfindungsgemäße Profilierung weni¬ ger Radialspaltverluste und eine geringere Verblockung des Strömungsfeldes am Austritt der Laufschaufelreihe . Durch die erzielte Verminderung der Radialspaltverluste las¬ sen sich der Wirkungsgrad der Beschaufelung und somit auch der Wirkungsgrad einer mit der Verdichterlaufschaufei ausge¬ statteten Turbomaschine wesentlich verbessern. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Bevorzugtermaßen gibt der erste der beiden Wendepunkte bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne auf dieser einen ersten Projektionspunkt vor, welcher vom Vorderkantenpunkt zwischen 10% und 30% der Länge der Profilsehne entfernt ist. Gleichzeitig gibt der zweite der beiden Wendepunkte bei senk¬ rechter Projektion auf die Profilsehne auf dieser einen zweiten Projektionspunkt vor, welcher vom Vorderkantenpunkt zwi- sehen 30% und 50% der Länge der Profilsehne entfernt ist. Insbesondere treten bei derartig angeordneten Wendepunkten die mit der Erfindung einhergehenden Vorteile in besonders großem Maße auf. Die beiden Wendepunkte liegen dabei mindes¬ tens 3 % der Länge der Profilsehne auseinander.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Skelettlinien der Profile einen vorderen Abschnitt, welcher sich jeweils vom Vorderkantenpunkt bis zu einem Endpunkt des vorderen Abschnitts erstreckt, dessen Pro¬ jektionspunkt bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne vom Vorderkantenpunkt zwischen 2% und 10% der Länge der Pro¬ filsehne entfernt ist, wobei zumindest einige der vorderen Abschnitte, vorzugsweise alle der vorderen Abschnitte der schaufelspitzseitigen Profile einen Krümmungsradius aufwei¬ sen, welche größer als das 100-fache der Profilsehne ist. Mit anderen Worten gesagt entsprechen die vorderen Abschnitte der Skelettlinie von schaufelspitzseitigen Profilen jeweils einer Geraden, oder zumindest nahezu. Dementsprechend ist das Pro¬ fil im betreffenden vorderen Abschnitt symmetrisch - praktisch ohne Wölbung -, was bedeutet, dass auch aus der lokalen Geschwindigkeitsverteilung um den schaufelspitzseitigen Vorderkantenbereich des Schaufelblatts praktisch kein Druckpo- tential von Druckseite zur Saugseite entsteht. Da das Druck¬ potential zwischen Druckseite und Saugseite im Vorderkanten¬ bereich als Ursache für das Entstehen des Spaltwirbels und somit als eine Ursache für die Spaltverluste angesehen wird, bewirkt hier diese Entlastung des Vorderkantenbereichs eine Abschwächung und ein verzögertes, d. h. stromabwärtiges Auf¬ treten des Spaltwirbels. Vorzugsweise sind die Saugseitenkon¬ tur und die Druckseitenkontur von schaufelspitzseitigen Profilen im vorderen Abschnitt der Skelettlinie dabei symmet¬ risch ausgebildet oder auch in einer Keilform mit nahezu ge- radlinigen Konturabschnitten auf Saugseite und Druckseite.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder vordere Abschnitt einen Anstellwinkel gegenüber einer ankom¬ menden Gasströmung auf, wobei in Ergänzung oder anstelle des nahezu geraden vorderen Skelettlinienabschnitts zumindest einige der Anstellwinkel, vorzugsweise jedoch alle Anstell¬ winkel der schaufelspitzseitigen Profile kleiner sind als die Anstellwinkel der übrigen Profile des Schaufelblattes. Vor¬ zugsweise sind die Anstellwinkel des vorderen Skelettlinien- abschnitts schaufelspitzseitiger Profile dabei kleiner als 10°, vorzugsweise sogar gleich 0°. Mit anderen Worten: der Metalleintrittswinkel der schaufelspitzseitigen Profile ist signifikant kleiner als der Metalleintrittswinkel der übrigen Profile des Schaufelblatts. Es kann somit gesagt werden, dass der Vorderkantenbereich der Schaufelblattspitze, im
Widerspruch zur Lösung gemäß SU 1751430 AI, in die Anströmung eingedreht wird, was gleichfalls dafür sorgt, dass ein
Druckpotential zwischen Druck- und Saugseite im Vorder¬ kantenbereich schaufelspitzseitig vermieden wird. Auch dies verhindert die Erzeugung des Spaltwirbels im Vorderkanten¬ bereich . Alternativ oder ergänzend zu den vorgeschlagenen Weiterbildungen können vorzugsweise zumindest einige der Vorderkantenpunkte, vorzugsweise alle Vorderkantenpunkte der schaufel- spitzseitigen Profile weiter stromauf angeordnet sein als die Vorderkantenpunkte der übrigen Profile des Schaufelblatts. Mit anderen Worten: die Vorderkante der Profile für Schaufel¬ blattspitzen ist durch eine Verlängerung des Profils nach vorne - in stromaufwärtiger Richtung - gegenüber der übrigen Vorderkante vorgelagert. Dies hat zur Folge, dass kein radia¬ ler Druckgradient im Vorderkantenbereich der Schaufelblatt- spitze wirken kann, so dass es auch bei der radialen Druckverteilung nicht zu einem Potential zwischen Druckseite und Saugseite kommen kann.
Vorzugsweise weisen ausschließlich die Skelettlinien der im Bereich der Schaufelblattspitze vorhandenen Profile zwei Wen¬ depunkte auf, wobei die Schaufelblattspitzenseite einen Be¬ reich von maximal 20% der Spannweite von der Schaufelblatt¬ spitze aus umfasst. Der übrige Bereich des Schaufelblatts, von einem befestigungsseitigen Schaufelblattende bis zu einer Schaufelblatthöhe von minimal 80% der Spannweite, kann nach herkömmlicher Art profiliert sein.
Dementsprechend betrifft die Erfindung prinzipiell eine modi¬ fizierte Schaufelblattspitze von in einem Kranz angeordneten Verdichterlaufschaufein für Axialverdichter.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Skelettlinien einen hinteren Abschnitt, welcher sich jeweils von einem Anfangspunkt des hinteren Abschnitts bis zum Hin¬ terkantenpunkt erstreckt, wobei der hintere Abschnitt von zu¬ mindest einigen, vorzugsweise allen schaufelspitzseitigen Skelettlinien eine größere Krümmung aufweist als die hinteren Abschnitte von Skelettlinien der übrigen Profile des Schau¬ felblatts. Demzufolge sind die Austrittsmetallwinkel von schaufelspitzseitigen Profilen kleiner als die Austrittsmetallwinkel von Profilen auf Höhe der halben Spannweite oder im Bereich des befestigungsseitigen, d.h. nabenseitigen
Schaufelblattendes. Bevorzugtermaßen gibt der Abschnittsanfangspunkt des hinteren Skelettlinienabschnitts bei senkrech¬ ter Projektion auf die Profilsehne einen auf der Profilsehne angeordneten Projektionspunkt vor, welcher vom Vorderkantenpunkt maximal 60% der Länge der Profilsehne entfernt ist. Die Hinterkante ist im schaufelspitzseitigen Bereich folglich mehr gewölbt als im übrigen Bereich des Schaufelblatts. Die erhöhte Wölbung führt zu einer größeren Arbeitsumsetzung in den vorzugsweise hinteren 40% des Schaufelblatts, so dass insgesamt die Belastung des Schaufelblatts nach hinten verla- gert wird. Diese Ausgestaltung kann als Ausgleich der Entlastung an der Vorderkante dienen, um trotz der Entlastung des schaufelspitzenseitigen Profils im vorderen Bereich der Profilsehne noch eine hohe Arbeitsumsetzung zu erreichen. Insgesamt kann damit auch durch die Reduktion der Blockade im Schaufelblattspitzenbereich der Verdichterlaufschaufel die Anströmung der nachfolgenden Leitschaufel im äußeren Ringwandbereich verbessert werden. Dies reduziert die lokale Fehlanströmung der nachgeordneten Leitschaufeln. Bevorzugtermaßen sind zumindest einige, vorzugsweise alle der schaufelspitzseitigen Profile im "Aft-Loaded-Design" und die übrigen, d. h. nicht schaufelspitzseitigen Profile im "Front- Loaded-Design" ausgestaltet. Der für die Spaltverluste verantwortliche Spaltwirbel kann äußerst effizient beeinflusst werden, wenn auch die Saugsei¬ tenkontur und die Druckseitenkontur zumindest drei aufeinanderfolgende Krümmungsabschnitte mit alternierenden Vorzeichen aufweisen, welche benachbarten Krümmungsabschnitte in jeweils einem Wendepunkt angrenzen. Dies kann mit einer geeigneten Dickenverteilung erreicht werden, die nach herkömmlicher Art senkrecht und symmetrisch, d.h. beidseitig zu gleichen Teilen auf die Skelettlinie aufgetragen wird. Derartige Maßnahmen führen auf der Saugseite zu konkaven Konturabschnitten und auf der Druckseite zu konvexen Konturabschnitten, mit denen die Spaltwirbel in besonders einfachem Maße ideegemäß beein- flusst werden können.
Zweckmäßigerweise ist die Schaufelblattspitze freistehend ausgebildet .
Wenn sich entlang der Saugseitenkontur vom Vorderkantenpunkt zum Hinterkantenpunkt bei einer Umströmung mit einem Gas eine Geschwindigkeitsverteilung des Gases einstellt, sind zumindest einige, vorzugsweise alle schaufelspitzseitigen Profile so gewählt, dass an einem Maximumort ein Geschwindigkeits¬ maximum auftritt, dessen Projektionspunkt bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne auf dieser vom Vorderkantenpunkt zwischen 10% und 30% der Länge der Profilsehne entfernt ist. Diese Maßnahme gewährleistet einen besonders großen Im¬ puls zur Entstehung des Spaltwirbels. Um dann die Radial¬ spaltverluste möglichst gering zu halten, ist vorgesehen, dass die Energiezufuhr für den Spaltwirbel besonders schnell, d. h. auf besonders kurzer Länge, in besonders starkem Maße abnimmt. Dazu ist vorgesehen, dass die betreffenden Profile so gewählt sind, dass sich in einem an dem Maximumort an¬ schließenden Saugseitenabschnitt der Saugseitenkontur mit einer Länge von maximal 15% der Länge der Profilsehne sich ein Gradient der Geschwindigkeit einstellt, dessen Gefälle maximal ist. Dies führt dazu, dass der Spaltwirbel für seine Größe stark unterversorgt wird, was dazu führt, dass sich dieser in einem größeren Winkel von der Oberfläche der Saug- seite entfernt. Dies führt zu besonders geringen Spaltverlus¬ ten bei einem Axialverdichter, dessen Rotor mit den erfindungsgemäßen Verdichterlaufschaufein ausgestattet ist. Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
Im Einzelnen zeigen:
FIG 1 ein erfindungsgemäßes Profil und ein aus dem
Stand der Technik bekanntes Profil für eine Verdichterlaufschaufei ;
FIGs 2, 3, 6 die Geschwindigkeitsverteilungen entlang der
Saugseitenkontur und der Druckseitenkontur des erfindungsgemäßen Profils und des herkömmlichen Profils aus FIG 1 ;
FIG 4 die Kontur von Saugseite und Druckseite des erfindungsgemäßen Profils für eine Verdichterlaufschaufel; FIG 5 den Krümmungsverlauf des erfindungsgemäßen
Profils entlang der Saugseite und Druckseite;
FIG 7 die Massenstromdichte des Massenstrom in einem
Radialspalt bei Verwendung eines erfindungsge- mäßen Profils für eine freistehende Schaufel¬ blattspitze;
FIG 8 die Topologie der Spaltwirbeltraj ektoren für das erfindungsgemäße Profil und das konventio- nelle Profil und
FIG 9, 10 perspektivische Darstellungen auf die freiste¬ hende Schaufelblattspitze einer erfindungsge¬ mäßen Verdichterlaufschaufei .
FIG 9 und FIG 10 zeigen jeweils eine freistehende Verdichter¬ laufschaufel 10 aus unterschiedlichen Perspektiven. Deren Schaufelblatt 12 umfasst eine Druckseitenwand 14 sowie eine Saugseitenwand 16, die sich zum einen jeweils von einer ge¬ meinsamen, von der Gasströmung angeströmten Vorderkante 18 zu einer gemeinsamen Hinterkante 20 und zum anderen unter Bil- dung einer Spannweite von einem in FIG 9 und FIG 10 nicht weiter dargestellten befestigungsseitigen Schaufelblattende zu einer Schaufelblattspitze 22 erstrecken.
In FIG 9 ist die Perspektive so gewählt, dass der Blick auf die Hinterkante 20 des Schaufelblattes 12 fällt, in FIG 10 fällt der Blick auf die Vorderkante 18 des Schaufelblatts 12. Am befestigungsseitigen Schaufelblattende kann in bekannter Art und Weise eine Plattform sowie ein daran angeordneter Schaufelfuß vorgesehen sein. Je nach Art und Weise der Befes- tigung ist der Schaufelfuß der Verdichterlaufschaufei 10 ent¬ weder Schwalbenschwanz-, tannenbaum- oder hammerförmig ausgestaltet. Die Verdichterlaufschaufei kann auch an einem Rotor angeschweißt sein. In dem Rotor eines Axialverdichters befestigt ist die Orien¬ tierung des Schaufelblatts 12 dergestalt, dass sich das
Schaufelblatt 12 von der Vorderkante 18 zur Hinterkante 20 in etwa der Axialrichtung des Axialverdichters erstreckt, welche in dem zu FIG 9 und FIG 10 zugehörigen Koordinatensystem mit der Achse X bezeichnet ist. Die Radialrichtung des Axialver¬ dichters fällt mit der Z-Achse des dargestellten Koordinatensystems zusammen und die Tangentialrichtung, d. h. die Um- fangsrichtung mit der Y-Achse. Eine Spannweite des Schaufelblatts 12 wird somit in Richtung der Z-Achse erfasst.
Bekanntermaßen werden Verdichterlaufschaufeln 10 für Axialverdichter dergestalt ausgelegt, dass entlang einer nicht dargestellten geradlinigen oder auch geringfügig gekrümmten
Stapelachse unterschiedliche oder auch identische Profile an¬ einandergereiht werden, deren eingeschlossener Raum das Schaufelblatt 12 vorgeben. Jedes Profil weist prinzipiell einen Flächenschwerpunkt auf, der auf der Stapelachse liegt.
Unter einem Profil wird im Detail ein endloser Linienzug ver- standen, welcher eine Saugseitenkontur und eine Druckseitenkontur eines Schaufelblatts umfasst. Die Konturen treffen sich einerseits in einem Vorderkantenpunkt und andererseits in einem Hinterkantenpunkt, welche auch Teil des Profils sind und dabei auf der entsprechenden Kante des Schaufelblatts liegen. Für jede entlang der Spannweite vorhandene Schaufel¬ blatthöhe existiert ein solches Profil. Insofern stellt das Profil die Kontur eines Querschnitts durch das Schaufelblatt für eine bestimmte Schaufelblatthöhe dar, wobei der Quer¬ schnitt entweder senkrecht zur Radialrichtung des Axialver- dichters oder auch dazu geringfügig geneigt - entsprechend einer Ringkanalkontraktion - orientiert sein kann. In FIG 9 sind Druckseitenkonturen 40 von drei Profilen 28, 30 in Volllinie gezeigt. In FIG 10 sind mehrere Saugseitenkonturen 42 von Profilen 28, 30 unterschiedlicher Schaufelblatthöhen ebenfalls in Volllinien dargestellt.
Das in FIG 9 und FIG 10 dargestellte gekrümmte Schaufelblatt 12 weist einen gegenüber dem Stand der Technik erfindungsgemäß modifizierten Schaufelblattspitzenbereich 43 auf, dessen konkrete Ausgestaltung und Wirkungsweise nachfolgend näher im Detail beschrieben wird.
In FIG 1 sind zwei grundlegend unterschiedliche Profile 28, 30 gezeigt. Das erste, in gepunkteter Linienart dargestellte Profil 28 zeigt einen Querschnitt durch die Verdichterlauf- schaufei 10 gemäß FIG 10 in einer Schaufelblatthöhe von der halben Spannweite des Schaufelblatts 12. Das Profil 28 kann ein konventionelles, aus dem Stand der Technik bekanntes Pro¬ fil sein. Das in Volllinie dargestellte Profil 30 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Verdichterlaufschaufei 10 gemäß FIG 10 im Bereich 43 der Schaufelblattspitze 22. Jedes Profil 28, 30 gemäß FIG 1 weist eine ihr zugehörige Skelettlinie auf, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in FIG 1 lediglich die eine Skelettlinie 32 des schaufelspitz- seitigen Profils 30 in gestrichelter Linienart dargestellt ist. Die Skelettlinie 32 beginnt in einem Vorderkantenpunkt 24, endet in einem zugehörigen Hinterkantenpunkt 26 und be- findet sich stets mittig zwischen der Druckseitenkontur 40 und Saugseitenkontur 42. Sie ist auch als Profilmittenlinie bekannt .
Neben der Skelettlinie 32 werden im Stand der Technik Profile auch mit Hilfe einer geradlinigen Profilsehne definiert. Die Profilsehne ist eine Gerade, welche sich vom Vorderkanten¬ punkt bis zum Hinterkantenpunkt erstreckt. In FIG 1 ist nur die eine Profilsehne 34 für das schaufelspitzseitige Profil 30 gezeigt. Da die Profilsehne 34 nachfolgend zur geometri- sehen Definition von signifikanten Punkten des Profils 30 herangezogen wird, wird deren Länge auf Eins normiert, wobei im Vorderkantenpunkt 24 die Länge der Profilsehne 0% beträgt und im Hinterkantenpunkt 26 die Länge der Profilsehne 100%. Darunter wird auch eine relative Sehnenlänge verstanden.
Selbstverständlich existiert auch für das aus dem Stand der Technik bekannte Profil 28 eine Profilsehne. Diese Profil¬ sehne ist jedoch der Klarheit halber in FIG 1 nicht darge¬ stellt .
Die normierte Profilsehne 34 wird dabei mit x/c angegeben. Das in FIG 1 dargestellte Profil 30 steht dabei repräsentativ für die radial äußersten der schaufelspitzseitigen Profile 30. Das in FIG 1 dargestellte herkömmliche Profil 28 steht einerseits repräsentativ für die aus dem Stand der Technik bekannten Profile und andererseits für die übrigen Profile der Verdichterlaufschaufel 10. Unter den übrigen Profilen 28 sind diejenigen zu verstehen, welche nicht schaufelspitzsei- tig angeordnet sind und somit beispielsweise im befestigungs- seifigen Bereich des Schaufelblatts 12 oder mittig zwischen Schaufelblattspitze 22 und dem befestigungsseitigen Schau¬ felblattende angeordnet sein können. Der Übergang vom her- kömmlichen Profil 28 zum schaufelspitzseitigen Profil 30 erfolgt dabei, wie FIG 10 zeigt, stufenfrei.
Kennzeichnend für eine erfindungsgemäße Verdichterlaufschau- fei 10 ist, dass die Skelettlinien 32 der schaufelspitzseiti¬ gen Profile 30 mindestens zwei Wendepunkte 36, 38 aufweisen. Das bedeutet, dass die Skelettlinie 32 stromauf des vorders¬ ten Wendepunkts 36 einen ersten Krümmungsabschnitt A mit einer ersten Krümmung aufweist und stromab des ersten Wende- punkts 36 bis zum zweiten Wendepunkt 38 einen zweiten Krümmungsabschnitt B mit einer zweiten Krümmung. Die Vorzeichen der ersten Krümmung und der zweiten Krümmung sind dabei unterschiedlich. Stromab des zweiten Krümmungsabschnitts B schließt sich im zweiten Wendepunkt 38 ein dritter Krümmungs- abschnitt C an, dessen Krümmung wiederum ein anderes Vorzeichen aufweist als das der zweiten Krümmung. Durch die unterschiedlichen Vorzeichen der Krümmungen der Krümmungsabschnitte A, B, C weisen auch Saugseitenkontur 42 und Druckseitenkontur 40 entsprechende Krümmungsabschnitte auf: die hauptsächlich konvex gekrümmte Saugseitenkontur 42 weist in einem Abschnitt D zwischen 35% und 50% der relativen Sehnenlänge eine konkave Gestalt auf. Die hauptsächlich konkav ge¬ krümmte Druckseitenkontur 40 weist einen Abschnitt E auf, welcher konvex ist. Entgegen den bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten Profilformen für Verdichterlaufschaufeln von Axialverdichtern führt dieser konkave Saugseitenkon- turabschnitt D und konvexe Druckseitenkonturabschnitt E zu einer lokal abknickenden Profilierung, die hier als Profilknick bezeichnet wird.
Es ist dabei vorgesehen, dass der erste der beiden Wende¬ punkte 36 bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne auf dieser einen ersten Projektionspunkt AP vorgibt, welcher vom Vorderkantenpunkt 24 zwischen 10 % und 30% der Länge der Pro- filsehne 34 entfernt ist und bei der der zweite der beiden
Wendepunkte 38 bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne 34 auf dieser einen zweiten Projektionspunkt BP vorgibt, wel¬ cher vom Vorderkantenpunkt 24 zwischen 30% und 50% der Länge der Profilsehne 34 entfernt ist. Des Weiteren geht aus FIG 1 klar hervor, dass das schaufelspitzseitige Profil 30 gegen¬ über dem herkömmlichen Profil 28 eine zur anströmenden Gasströmung hin vorverlagerte Vorderkante 18 aufweist. Die vor- verlagerte Vorderkante 18 des schaufelspitzseitigen Profils 30 ist besonders in den perspektivischen Ansichten gemäß FIG 9 und FIG 10 erkennbar.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Skelettlinie 32 von schaufelspitzseitigen Profilen 30 in einem hinteren Abschnitt G eine größere Krümmung aufweist als die hinteren Abschnitte von Skelettlinien der übrigen Profile 28 des Schaufelblatts 12. Der hintere Abschnitt G der Skelettlinie 32 erstreckt sich vom Abschnittsanfangspunkt GA bis zu dem Hinterkanten- punkt 26 der Skelettlinie 32, welcher Abschnittsanfangspunkt GA bei Projektion auf die Profilsehne 34 auf dieser einen Projektionspunkt GP vorgibt, welcher vom Vorderkantenpunkt 24 maximal 60 % der Länge der Profilsehne 34 entfernt ist. Des Weiteren geht aus der FIG 1 hervor, dass das schaufel- spitzseitige Profil 30 eine Skelettlinie 32 mit einem vorde¬ ren Abschnitt H umfasst. Der vordere Abschnitt H der Skelett¬ linie 32 erstreckt sich vom Vorderkantenpunkt 24 bis zu einem Projektionspunkt HP der Skelettlinie 32, welcher bei 10% der Länge der Profilsehne 34 angeordnet ist. Der Projektionspunkt HP ergibt sich dabei durch die Projektion eines Endpunktes HE des vorderen Abschnitts H senkrecht zur Profilsehne 34. In diesem vorderen Abschnitt H der Skelettlinie 32 ist die Ske¬ lettlinie 32 nahezu ungewölbt, d. h. annähernd gerade.
Gleichfalls ist die Dickenverteilung, welche bekanntermaßen senkrecht auf die Skelettlinie 32 beidseitig zu gleichen Tei¬ len aufgetragen wird, hier so gewählt, dass sich ein im Prinzip keilförmiger Vorderkantenbereich für die schaufelspitz- seitigen Profile 30 ergibt. Allgemein ist im vorderen Ab- schnitt H von schaufelspitzseitigen Profilen 30 ein symmetrischer Verlauf der Saugseitenkontur 42 und Druckseitenkontur 40 symmetrisch wünschenswert. In FIG 2 sind die Geschwindigkeitsverteilungen entlang des schaufelspitzseitigen Profils 30 und entlang des herkömmlichen Profils 28 sowohl für die Saugseitenströmung als auch für die Druckseitenströmung gegenübergestellt. Jede Geschwin- digkeitsverteilung ist dabei entlang der normierten Profilsehne x/c aufgetragen. Die Geschwindigkeiten sind dabei in Machzahlen angegeben, wobei Mach = 1 die Schallgeschwindig¬ keit für eine gegebene Temperatur bedeutet. Die Geschwindig¬ keitsverteilung wurde dabei auf derjenigen Schaufelblatthöhe von Verdichterlaufschaufein erfasst, welche 0,5% des Spalt¬ maßes eines Radialspaltes zwischen der Schaufelblattspitze 22 und der diese umgebenden Ringwand des Axialverdichters von der Schaufelblattspitze 22 entfernt ist. In gestrichelter Linienart sind in FIG 2, FIG 3 und FIG 6 die Geschwindig- keitsverteilungen 48, 50 eines herkömmlichen Profils 28 für die Saugseitenwand 16 und Druckseitenwand 14 dargestellt. Die Geschwindigkeitsverteilungen 44, 46 für die Saugseitenwand 16 und Druckseitenwand 14 des schaufelspitzseitigen Profils 30 ist in Volllinie dargestellt. Die jeweils untere Linie stellt die Geschwindigkeitsverteilung für die entsprechende Druckseite dar, die jeweils obere Linie stellt die Geschwindig¬ keitsverteilung für die entsprechende Saugseite dar. Die Saugseitengeschwindigkeitsverteilung für das schaufelspitz- seitige Profil 30 ist mit 44 bezeichnet, die Druckseitenge- schwindigkeitsverteilung für das schaufelspitzseitige Profil mit 46, die Saugseitengeschwindigkeitsverteilung für das herkömmliche Profil 28 mit 48 und die Druckseitengeschwindig¬ keitsverteilung für das herkömmliche Profil 28 mit 50. Je größer der Abstand zwischen dem Verlauf der saugseitigen Ge- schwindigkeitsverteilung 44, 48 und der druckseitigen Geschwindigkeitsverteilung 46, 50 für jede Stelle der normierten Profilsehne 34 ist, umso größer ist der Druckunterschied und somit die Belastung an der jeweiligen betrachteten Stelle der Profilsehne des jeweiligen betrachteten Profils 28, 30. Aus FIG 2 geht hervor, dass mit Hilfe des erfindungsgemäß modifizierten Schaufelblattspitzenbereichs 43 das Schaufel¬ blatt 12 in der vorderen Hälfte, d. h. insbesondere auf den ersten 15% der Profilsehne 34 vom Vorderkantenpunkt 24 aus gesehen, entlastet worden ist.
Durch die sich einstellenden Geschwindigkeitsverteilungen 44, 46 tritt eine höhere Belastung im hinteren Abschnitt G des schaufelspitzseitigen Profils 30 auf, da die Fläche zwischen saugseitiger Geschwindigkeitsverteilung 44 und druckseitiger Geschwindigkeitsverteilung 46 für einen hinteren Profilabschnitt von 60% der Profilsehne 34 bis 100% der Profilsehne 34 größer ist als die entsprechende Fläche zwischen den ent¬ sprechenden Geschwindigkeitsverteilungen 48, 50 des aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Profils 28. Da das herkömmliche Profil 28 für nicht schaufelspitzseitige Berei¬ che der Verdichterlaufschaufel 10 vorgesehen ist, tritt somit entlang der Schaufelblatthöhe ein Wechsel der Belastung vom vorderen Abschnitt ( "Front-Loaded-Design" ) zum hinteren Abschnitt des Schaufelblattes ( "Aft-Loaded-Design" ) . Charakte¬ ristisch ist, dass die Profilform des Schaufelblatts 12 schaufelspitzseitig so gewählt ist, dass der Geschwindig- keitsanstieg zu einem Geschwindigkeitsmaximum in einem Maximumsort bei ca. 20% der Länge der Profilsehne 34 in einem möglichst kurzen Profilsehnenabschnitt erreicht wird. Weiter ist in den sich an den Maximumsort anschließenden nachfolgenden 15% der Profilsehne 34 eine vergleichsweise große Abnahme der Geschwindigkeit der saugseitigen Gasströmung in einem möglichst kurzen Profilsehnenabschnitt gewünscht. Insbeson¬ dere dieser Geschwindigkeitsverlauf entlang der Saugseiten¬ wand 16 führt dazu, dass ein für die Spaltverluste verant¬ wortlicher Spaltwirbel mit vergleichsweise mehr Energie er- zeugt wird, wobei durch den großen Geschwindigkeitsrückgang nach dem Erreichen des Geschwindigkeitsmaximums diesem jedoch nur vergleichsweise wenig Energie weiter zugeführt wird, was ihn dann umso mehr schwächt. Dies führt insgesamt zu redu¬ zierten Radialspaltverlusten.
Die Abbildungen 3 bis 8 geben einen weiteren Überblick über die durch den Profilknick auftretenden Effekte. In FIG 3 und FIG 6 sind erneut die Machzahlverteilungen des herkömmlichen Profils 28 und des schaufelspitzseitigen Profils 30 über die relative Sehnenlänge dargestellt. FIG 4 beschreibt das schau- felspitzseitige Profil 30 im ungestaffelten m'-theta Koordi¬ natensystem. Die untere Abbildung, FIG 5, stellt eine Krüm- mung 52 der Saugseitenkontur 42 und eine Krümmung 54 der
Druckseitenkontur 40 über der m ' -Koordinate dar. Es ist deutlich zu sehen, dass im Bereich eines Druckseitenknicks 56 ein starker Anstieg der Machzahldifferenz und somit des Druckpotentials zwischen Saugseitenkontur 42 und Druckseitenkontur 40 entsteht.
FIG 7 zeigt die Massenstromdichte des Massenstroms, der orthogonal zur Profilsehne 34 durch den Radialspalt strömt, bezogen auf die betrachtete lokale Fläche. Die
Massenstromdichte für ein herkömmliches Profil 28 ist mit 58 bezeichnet, die für das schaufelspitzseitige Profil 30 mit 60. Für das schaufelspitzseitige Profil 30 ist einen klarer Zusammenhang zwischen dem Anstieg des Druckpotentials und dem Anstieg der Massenstromdichte im Radialspalt erkennen. Die Massenstromdichte im Radialspalt erreicht außerdem ihr globa¬ les Maximum kurz nach dem beschriebenen Profilknick. Das globale Maximum der Massenstromdichte für das schaufelspitzsei¬ tige Profil 30 liegt höher als im herkömmlichen Fall. Der Ab¬ fall der Massenstromdichte im Radialspalt nach ihrem Maximum ist ebenfalls größer als bei der herkömmlichen Profilierung 28.
FIG 8 zeigt die Topologie der Spaltwirbeltraj ektoren
(Spaltwirbellinien) für die beiden Profile 28, 30. Die Spalt- wirbellinie für das herkömmliche Profil 28 ist mit 62 be¬ zeichnet, die Spaltwirbellinie für das schaufelspitzseitige Profil mit 64. Relativ zur Vorderkante 18 entsteht der Spalt¬ wirbel beim schaufelspitzseitigen Profil 30 deutlich später - bezogen auf die relative Sehnenlänge des bestreffenden Pro- fils - und knickt dann von der Saugseitenwand 16 mit einem größeren Winkel ab als bei der herkömmlichen Profilierung 28. Das frühe Abknicken des Spaltwirbels fällt mit dem starken Anstieg der Massenstromdichte zu ihrem Maximum und dem darauf folgenden Absinken desselben zusammen. Der größere Winkel ist dem größeren Gradienten sowohl beim Anstieg als auch beim Abfall der Massenstromdichte geschuldet. Das zum herkömmlichen Profil 28 relativ späte Entstehen des Spaltwirbels lässt sich durch die geringe Belastung des verbesserten Profils 30 an der Vorderkante 18 erklären.
Durch die Entlastung der Schaufelblattspitze 22 im Vorderkantenbereich wird die Bildung des Spaltwirbels verzögert. An- schließend folgt im Bereich des saugseitigen Profilknicks ein starker Anstieg des Spaltmassenstroms, der den Spaltwirbel antreibt und von der Saugseitenwand 16 des schaufelspitzsei- tigen Profils 30 wegtreibt. In der Zone nach dem saugseitigen Profilknick fällt die Massenstromdichte im Radialspalt wesentlich stärker ab als bei der herkömmlichen Profilierung 28. Insgesamt ergibt sich so ein geringerer Spaltmassenstrom. Die Spaltwirbellinie knickt nach dem saugseitigen Profilknick mit einem höheren Winkel von der Saugseitenwand 16 ab als dies bei der herkömmlichen Profilierung 28 der Fall ist. Sie läuft fortan mit einem größeren Abstand von der Saugseitenwand 16 weg als bei der herkömmlichen Profilierung 28. Insgesamt verursacht die Spaltströmung bei der modifizierten Profilierung 30 somit weniger Verluste und eine geringere
Verblockung des Strömungsfeldes am Austritt der Laufschaufel- reihe. Um trotz der Entlastung des Profils 30 in der vorderen Hälfte der Profilsehne 34 noch eine hohe Arbeitsumsetzung zu erreichen, wird die Belastung durch eine höhere Wölbung des Profils 30 in den hinteren 40% der Profilsehne 34 erhöht. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung, bei der das Zusam¬ menspiel der Verschiebung der Belastung von vorne nach hinten mit der besonderen Krümmungsverteilung des neuen Profils 30 bei etwa 20% der Profilsehne 34 ausmacht. Insbesondere die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen
Verdichterschaufeln, deren übrige Profile weitestgehend der in FIG 1 dargestellten Profilform 28 entsprechen, haben sich als besonders wirksam herausgestellt. Tabelle 1:
Parameter : Schaufel Schaufel
Nr. 1 Nr. 2
Lage des ersten Wendepunkts (AP) 28 18 der Skelettlinie
[Prozent der Profilsehnenlänge]
Lage des zweiten Wendepunkts (BP) 49 47 der Skelettlinie
[Prozent der Profilsehnenlänge]
Länge der ungekrümmten Vorderkante 10 5 [Prozent der Profilsehnenlänge]
Anstellwinkel der 5 7 schaufelspitzseitigen Profile
[Grad]
Anstellwinkel der übrigen Profile 25 25 [Grad]
Lage des Abschnittsanfangspunkt GA 51 53 [Prozent der Profilsehnenlänge]
Krümmung der schaufelspitzseitigen 1/ (2* 2/Profil-
Profile im hinteren Abschnitt Profil¬ sehnen-
[] sehnenlänge länge)
Krümmung der übrigen Profile im 1/ (10* 1/ (10* hinteren Abschnitt Profil¬ Profil¬ [] sehnensehnenlänge) länge)
Länge des schaufelspitzseitigen 20 10 Bereichs
[Prozent der Spannweite]
Lage des saugeitigen, schaufelspit- 20 10 zseitigen Geschwindigkeitsmaximums
[Prozent von Profilsehnenlänge]
Länge des maximalen Gradients der 10 10 saugseitigen Geschwindigkeits¬ verteilung stromab des Orts des
Geschwindigkeitsmaximums
[Prozent von Profilsehnenlänge] Insgesamt betrifft die Erfindung somit eine Verdichterlauf- schaufei 10 für axial durchströmte Verdichter vorzugsweise stationärer Gasturbinen. Die Erfindung sieht vor, dass zur Reduzierung von Radialspaltverlusten die Skelettlinie 32 der schaufelspitzseitigen Profile 30 des Schaufelblatts 12 der Verdichterlaufschaufel 10 mindestens zwei Wendepunkte 36, 38 aufweisen. Durch das Vorhandensein zweier Wendepunkte 36, 38 ergeben sich für die Saugseitenkontur 42 im Abschnitt von 35% bis 50% ein Saugseitenkonturabschnitt D, der konkav ausgebil¬ det ist und für die Druckseitenkontur 40 ein Druckseitenkon- turabschnitt E, welcher konvex ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser Geometrie ist es möglich, verlustärmere Spaltwirbel zu generieren, um den Gesamtwirkungsgrad eines mit diesen Ver¬ dichterlaufschaufeln 10 ausgestatteten Axialverdichters zu erhöhen .

Claims

Patentansprüche
1. Verdichterlaufschaufei (10) für einen Axialverdichter, mit einem gekrümmten Schaufelblatt (12), welches eine Druckseitenwand (14) und eine Saugseitenwand (16) um- fasst, die sich zum einen jeweils von einer gemeinsamen Vorderkante (18) zu einer gemeinsamen Hinterkante (20) und zum anderen unter Bildung einer Spannweite von einem befestigungsseitigen Schaufelblattende zur einer Schaufelblattspitze (22) erstrecken,
wobei für jede entlang der Spannweite vorhandene Schau¬ felblatthöhe das Schaufelblatt (12)
• ein Profil (28, 30) mit einer Saugseitenkontur (42) und einer Druckseitenkontur (40),
· eine zumindest teilweise gewölbte Skelettlinie (32) und
• eine geradlinige Profilsehne (34)
aufweist, welche Konturen (40, 42), Skelettlinie (32) und Profilsehne (34) sich jeweils von einem Vorderkan- tenpunkt (24) zu einem Hinterkantenpunkt (26) erstre¬ cken,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einige der Skelettlinien (32) der schaufel- spitzseitigen Profile (30) mindestens zwei Wendepunkte (36, 38) aufweisen.
2. Verdichterlaufschaufei (10) nach Anspruch 1,
bei der der erste der beiden Wendepunkte (36) bei senk¬ rechter Projektion auf die Profilsehne (34) auf dieser einen ersten Projektionspunkt (AP) vorgibt, welcher vom
Vorderkantenpunkt (24) zwischen 10% und 30% der Länge der Profilsehne (34) entfernt ist und
bei der der zweite der beiden Wendepunkte (38) bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne (34) auf dieser einen zweiten Projektionspunkt (BP) vorgibt, welcher vom Vorderkantenpunkt (24) zwischen 30% und 50% der Länge der Profilsehne (34) entfernt ist. Verdichterlaufschaufei (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Skelettlinien (32) einen vorderen Abschnitt (H) umfassen, welcher sich vom Vorderkantenpunkt (24) bis zu einem Abschnittsendpunkt (HE) erstreckt, dessen Projektionspunkt (HP) bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne (34) vom Vorderkantenpunkt (24) zwi¬ schen 2% und 10% der Länge der Profilsehne (34) ent¬ fernt ist,
wobei zumindest einige der vorderen Abschnitte (H) der schaufelspitzseitigen Profile (30) einen Krümmungsradius aufweisen, welche größer als das 100-fache der Profilsehne (34) sind.
Verdichterlaufschaufel (10) nach Anspruch 3,
bei der jeder vordere Abschnitt (H) einen Anstellwinkel gegenüber einer ankommenden Gasströmung aufweist, wobei zumindest einige der Anstellwinkel der schaufelspitz- seitigen Profile (30) kleiner sind als die Anstellwinkel der übrigen Profile (28) des Schaufelblatts (12) .
Verdichterlaufschaufel (10) nach Anspruch 4,
bei der der Anstellwinkel des vorderen Abschnitts (H) schaufelspitzseitiger Profile (30) kleiner als 10° ist.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5 ,
deren Saugseitenkontur (42) und Druckseitenkontur (40) von schaufelspitzseitigen Profilen (30) im vorderen Abschnitt (H) der Skelettlinie (32) symmetrisch ausgebil¬ det sind.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei der zumindest einige der Vorderkantenpunkte (24) der schaufelspitzseitigen Profile (30) weiter stromauf angeordnet sind als die Vorderkantenpunkte (24) der übrigen Profile (28) des Schaufelblatts (12). Verdichterlaufschaufei (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ,
bei der ausschließlich die Skelettlinien (32) der im Bereich der Schaufelblattspitze (22) vorhandenen Profile (30) zwei Wendepunkte (36, 38) aufweisen.
Verdichterlaufschaufei (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ,
bei der die Skelettlinien (32) einen hinteren Abschnitt (G) umfassen, welcher sich von einem Abschnittsanfangspunkt (GA) und bis zum Hinterkantenpunkt (26) er¬ streckt,
wobei der hintere Abschnitt (G) von zumindest einigen der schaufelspitzseitigen Skelettlinien (32) eine größere Krümmung aufweist als die hinteren Abschnitte von Skelettlinien (32) der übrigen Profile des Schaufelblatts (12) .
Verdichterlaufschaufel (10) nach Anspruch 9,
bei der der Abschnittsanfangspunkt (GA) bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne (34) einen auf der Pro¬ filsehne (34) angeordneten Projektionspunkt (GP) vor¬ gibt, welcher vom Vorderkantenpunkt (24) maximal 60% der Länge der Profilsehne (34) entfernt ist.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
bei der die Saugseitenkontur (42) und die Druckseitenkontur (40) von schaufelspitzseitigen Profilen (30) jeweils mindestens zwei Wendepunkte aufweisen.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
bei der die Schaufelblattspitze (22) freistehend ist. Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
bei der zumindest einige der schaufelspitzseitigen Pro¬ file (30) im „Aft-Loaded-Design" und die übrigen Profile (28) im „Front-Loaded-Design" ausgestaltet sind.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
bei der die Schaufelblattspitzenseite einen Bereich (43) von maximal 20% der Spannweite von der Schaufel¬ blattspitze (22) aus umfasst.
Verdichterlaufschaufel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
wobei sich entlang der Saugseitenkontur (42) vom Vorderkantenpunkt (24) zum Hinterkantenpunkt (26) bei einer Umströmung mit einem Gas eine Geschwindigkeits¬ verteilung (44) des Gases einstellt,
wobei zumindest einige der schaufelspitzseitigen Pro¬ file (30) so gewählt sind, dass an einem Maximumort ein Geschwindigkeitsmaximum auftritt, dessen Projektionspunkt bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne (34) vom Vorderkantenpunkt (24) zwischen 10% und 30% der Länge der Profilsehne (34) entfernt ist.
Verdichterlaufschaufel (10) nach Anspruch 15,
bei der die betreffenden Profile (30) so gewählt sind, dass in einem sich an den Maximumort anschließenden Saugseitenabschnitt der Saugseitenkontur (42) mit einer Länge von maximal 15% der Länge der Profilsehne (34) sich ein Gradient der Geschwindigkeit einstellt, dessen Gefälle maximal ist.
Axialverdichter mit einem Rotor,
an dessen Außenumfang zumindest ein Laufschaufelkranz mit Verdichterlaufschaufein (10) nach einem der Ansprü che 1 bis 16 ausgebildet ist.
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