WO2017137201A1 - Verdichterlaufschaufel, verdichter und verfahren zum profilieren der verdichterlaufschaufel - Google Patents

Verdichterlaufschaufel, verdichter und verfahren zum profilieren der verdichterlaufschaufel Download PDF

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WO2017137201A1
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compressor
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curvature
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PCT/EP2017/050453
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Christian Cornelius
Christoph Starke
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a Ver Whyrlaufschaufei and a method for profiling the Ver Whyrlaufschaufei.
  • An axial-flow compressor has at least one blade ring with a plurality of compressor blades for compressing a working fluid.
  • Compressor blade has a radially inner subsonic section, in which the compression takes place by means of a deflection of the flow of the working medium.
  • WEI terhin the compressor blade to a transonic section in which the compression for the most part by means of a shock wave, wherein the Ar ⁇ beitsmedium is delayed from supersonic velocity to Unterschallge ⁇ speed.
  • Losses in the flow of the working medium in the transonic section occur, for example, in the compression ⁇ shock and by detachment of the boundary layer at the
  • the object of the invention is therefore a
  • the compressor blade according to the invention for a ⁇ Ver tight in axial construction has a blade profile having a transonic section and an extending portion in the transonic profile section of the Blade profile, which has on its suction side a concave suction side region and a convex suction side region which is disposed downstream of the concave suction side region, and which has on its pressure side a convex pressure side region and a concave pressure side region, which is arranged downstream of the convex pressure side region where ⁇ in the case of a curvature course on the pressure side of the profile section and a curvature profile on the suction side of the profile section applied in each case are continuous over a chord of the profile section, the positions of the minimum values of the curvature courses do not deviate from one another by more than 10% of the length of the chord and the positions of the maximum values of the profile chord
  • a compressor rotor blade for a compressor for compressing a working medium in axial construction which has a blade ⁇ row with the compressor blades, wherein the compressor blades have a blade profile with a transonic section, has the steps: providing a geometric model of the blade profile, where ⁇ in the Blade profile has a profile section extending in the transonic section, and the Laufschau ⁇ felsch is set that sets a nominal operating condition of the compressor, a compression shock in which the working fluid is delayed from supersonic to Un ⁇ terschall embod; Specifying edge ⁇ conditions for the blade flow flowing around which occurs at the nominal operating condition; Changing the profile section such that the suction side has a concave suction side portion and a convex suction side portion disposed downstream of the concave suction side portion and having on its pressure side a convex pressure side portion and a concave pressure side portion downstream The curve of the convex pressure side region is arranged, wherein a curvature course on the pressure side of the profile section and a
  • Verêtschaufei invention can be performed with a shorter length of its chord than is the case with conven- tional Ver Whyrlaufschaufei without thereby to accept Einbu ⁇ SEN of efficiency or a reduction of the Häbe ⁇ kingdom. It is preferable that in the convex Saugction Scheme the curvature multiplied by the length of the chord has a maximum value of 2 to 4 and in the konka ⁇ ven pressure side region of the curvature multiplied by the length of the chord has a maximum value of 1, 5 to 2.5.
  • the point of the concave Saugieribe ⁇ empire with the minimum curvature when projecting perpendicular to the chord of the profile section on this one Pro ⁇ jectionhui sets that of the leading edge of the profile ⁇ section of 40% to 80%, in particular of 60 % to 75%, the length of the chord is removed. It is preferred that the point of the convex suction side region with the maximum curvature when projecting perpendicularly onto the profile chord of the profile section predetermines thereon a projection point which is from 70% to 95%, in particular 80% to 90%, of the leading edge of the profile section. , the length of the chord is removed. Each of these measures can further increase the efficiency of the compressor.
  • the thickness of the profile section at all points of the profile section perpendicular to the chord is shorter than 2.5% of the length of the chord.
  • the compressor according to the invention for compressing a working ⁇ medium has a blade row on which the
  • Compressor blades has, wherein the blade row is set up that at a nominal operating condition of the compressor precompression of the working fluid current ⁇ on a compression shock, in which the working medium of supersonic speed to subsonic speed is ver ⁇ hesitated, and upstream of one of two adjacent
  • the profile section on a cylinder surface ⁇ whose axis coincides with the axis of the compressor ⁇ , on a conical surface, whose axis with the axis of the Compressor coincides, is located on a S i flow area of the compressor or in a tangential plane of the compressor.
  • the S i flow surface extends in the circumferential direction and in the axial direction of the axial flow machine and describes a surface that follows an idealized flow.
  • the profile section is changed such that in the convex suction side area, the curve of the curve has a maximum value larger than the maximum value of the curve of the curve in the corresponding area of the conventional compressor blade.
  • the profile section is preferably modified such that in the convex suction ⁇ lateral region of the curve of the curvature multiplied by the length of the chord has a maximum value which is from 2 to 4 and in the concave pressure side region of the curve of the curvature multiplied by the length of the chord Maximum value, which is from 1.5 to 2.5.
  • the blade row is designed in such a way that at the nominal operating conditions, a maximum pre isentropic shock Mach number of 1.4, in particular of a maximum of 1.3, has ⁇ .
  • the profile section is changed ⁇ changed such that the point of the concave Saugcons with the minimum curvature in vertical projection on the chord of the profile section specifies a projection point on this, the from the front edge of the profiled-section of 40% to 80 % of the length of the chord is removed.
  • Figure 3 is a profile section of the invention
  • FIG. 4 shows curves of the invention
  • FIG 5 shows the Machiereverrough of Figure 2 with normalized lengths of the chords.
  • the blade profile has a radially inner subsonic section and a radially outer transonic section, wherein in FIGS. 1 and 3 only the transonic section is shown.
  • the blade profile has a profile section 21 which extends in the transonic section.
  • the profile section 21 is located on a cylindrical surface whose
  • Axis coincides with the axis of the compressor, on a Ke ⁇ gel surface whose axis coincides with the axis of the compressor coincides ⁇ on an S i flow area of the compressor or in a tangential plane of the compressor.
  • the profile section 21 has a front edge 2, a rear edge ⁇ 3, a pressure side 4 and a suction side 5.
  • a profile chord 22 is shown in FIG straight line from the leading edge 2 to the trailing edge 3 extends.
  • FIG. 3 shows a skeleton line 23 which extends from the front edge 2 to the rear edge 3 and is always located centrally between the pressure side 4 and the suction side 5 in a direction perpendicular to the chord 22.
  • FIG. 1 shows a two-dimensional flow distribution of a working medium flowing in the compressor in a region of the compressor.
  • a blade row 15 with the compressor blades 1, one of the blade row 15 downstream guide blade row 16 and one of the rotor blade row ⁇ fel Herbert 15 upstream guide blade row 17 is shown.
  • the profile section 21 has on its suction side 5 a concave suction side region 10, which is arranged at least partially upstream of a compression joint 18, which has a flow which is established in the compressor under a nominal operating condition of the compressor.
  • the compression stroke 18 is arranged in the regions of the flow in FIG. 1 in which the Mach number decreases from higher than 1 to lower than 1.
  • Figure 1 shows that in the rated operation condition of the compressor ⁇ a precompression of the Häme ⁇ diums upstream of the shock wave 18 and upstream of one of two adjacent compressor blades 1 limited flow channel is made.
  • the compaction shock 18 is arranged downstream of a compaction shock, relative to the length of the chord 22, which would have a flow that is similar to that of a conventional one
  • Compressor blade 1 may differ in that it is formed exclusively convex on its suction side 5, and would set in the nominal operating condition.
  • Figure 2 shows a comparison of the Mach number curves of the Verreterlaufschaufei 1 and the Mach number curves of the conventional forth ⁇ Ver emphasizerlaufschaufei.
  • Reference numeral 6 denotes the Machiereverlauf on the pressure side of the conventional Ver emphasizerlaufschaufei
  • the reference numeral 7 is the Machiereverlauf on the suction ⁇ side of the conventional Ver emphasizerlaufschaufei
  • the reference numeral 8 is the Machiereverlauf on the pressure side 4 of the compressor rotor 1
  • the disturbanceszei ⁇ chen 9 is the Mach number distribution on the suction side 5 of the
  • Compressor rotor 1 denotes.
  • the compressor rotor 1 Due to the reduced losses and higher profile load in the subsonic region, a higher efficiency can be achieved with the compressor rotor 1 than with the conventional compressor rotor. As a result of the higher efficiency, the compressor rotor blade 1, as shown in FIG. 2, can be made shorter than the conventional compressor rotor blade , as a result of which losses due to friction of the working fluid on the piston are increased
  • FIG. 4 shows a curvature profile 27 along the pressure side 4 and a curvature profile 28 along the suction side 5.
  • Both curvature curves 27, 28 are continuous.
  • About the Horizon ⁇ talachse 25 is the length of the chord 22 and the vertical axis 26, the curvature k multiplied by the length of the chord 22 is applied.
  • the curvature k is defined as
  • Concave suction side areas and convex pressure side areas are characterized by a negative sign of the curvature.
  • Convex and concave pressure side Saugate Scheme ⁇ che characterized by a positive sign of the curvature.
  • the curve of the curvature multiplied by the length of the chord 22 has a minimum value that is from -1.2 to -0.5.
  • the profile section 21 has on its suction side 5 a first convex suction side region 11, which is arranged downstream of the concave suction side region 10.
  • the profile section 21 has, on its suction side 5 to a ⁇ Saugate Society second convex 12, which is located upstream of the concave Saugonic Schemes 10th In the convex suction side region 11, the course of the
  • Curvature has a maximum value which is greater than the maximum ⁇ value of the curve of the curvature in the corresponding region of the conventional Ver Whyrlaufschaufei, in particular, in the convex suction side region 11 of the curve of the curvature multiplied by the length of the chord 22 has a maximum value, from 2 to 4 is.
  • the point of the concave Saugcons 10 with the minima ⁇ len curvature in vertical projection on the chord 22 of the profile section 21 sets a projection ⁇ point 24 on this, of the leading edge of the profile section 21 of 40% to 80% of the length of the chord 22 is removed.
  • the point of the convex suction side region 11 with the maxima ⁇ len curvature in the vertical projection on the chord 22 of the profile section 21 are on this one projection ⁇ point 24, which removes from the leading edge of 21 of 80% to 100% of the length of the chord 22 is.
  • the profiled section 21 has on its pressure side 4 a convex pressure-side region 14, which is arranged in a region which is arranged opposite the concave suction-side region 10.
  • the compressor blade 1 is profiled as follows: providing a geometrical model of the blade profile, wherein the blade profile has a profile section 21 which extends in the transonic section and on a surface of revolution, the axis of which coincides with the axis of the compressor, on a conical surface, the axis of which coincides with the axis of the compressor, lies on an S i flow surface of the compressor or in a tan ⁇ gentialen plane of the compressor, and the blade ⁇ row 15 is set that sets a compression stroke 18 at a nominal operating condition of the compressor . in which the working medium is delayed from supersonic speed to subsonic speed; - Setting boundary conditions for a flow around the blade 14, 15, which occurs at the nominal operating condition;
  • shock wave moves downstream by changing the Pro ⁇ filitess 18, can mathematically insbesonde- re be a finite volume method, or experimentally be ⁇ true.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die erfindungsgemäße Verdichterlaufschaufel für einen Verdichter in Axialbauweise, weist ein Schaufelprofil, das einen transsonischen Abschnitt aufweist, und einen sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckenden Profilschnitt (21) des Schaufelprofils, der an seiner Saugseite (5) einen konkaven Saugseitenbereich (10) und einen konvexen Saugseitenbereich (11) aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs (10) angeordnet ist, und der an seiner Druckseite (4) einen konvexen Druckseitenbereich (14) und einen konkaven Druckseitenbereich (13) aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs (14) angeordnet ist, wobei ein Krümmungsverlauf (27) an der Druckseite (4) des Profilschnitts (21) und ein Krümmungsverlauf (28) an der Saugseite (5) des Profilschnitts (21) jeweils aufgetragen über eine Profilsehne (22) des Profilschnitts (21) stetig sind, die Lagen der Minimalwerte der Krümmungsverläufe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne (22) voneinander abweichen sowie die Lagen der Maximalwerte der Krümmungsverläufe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne (22) voneinander abweichen.

Description

Beschreibung
Verdichterlaufschaufei , Verdichter und Verfahren zum
Profilieren der Verdichterlaufschaufei
Die Erfindung betrifft eine Verdichterlaufschaufei und ein Verfahren zum Profilieren der Verdichterlaufschaufei .
Ein Verdichter in Axialbauweise weist zur Verdichtung eines Arbeitsmediums mindestens einen Laufschaufelkranz mit einer Mehrzahl an Verdichterlaufschaufein auf. Die
Verdichterlaufschaufel weist einen radial innen liegenden subsonischen Abschnitt auf, in dem die Verdichtung mittels einer Umlenkung der Strömung des Arbeitsmediums erfolgt. Wei- terhin weist die Verdichterlaufschaufel einen transsonischen Abschnitt auf, in dem die Verdichtung zum überwiegenden Teil mittels eines Verdichtungsstoßes erfolgt, bei dem das Ar¬ beitsmedium von Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallge¬ schwindigkeit verzögert wird.
Verluste in der Strömung des Arbeitsmediums in dem transsonischen Abschnitt entstehen beispielsweise in dem Verdichtungs¬ stoß und durch Ablösungen der Grenzschicht an der
Verdichterlaufschaufel im Bereich des Verdichtungsstoßes. Die Verluste bewirken eine Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters .
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine
Verdichterlaufschaufel , einen Verdichter mit der
Verdichterlaufschaufel und ein Verfahren zum Profilieren der Verdichterlaufschaufel zu schaffen, mit denen eine Erhöhung des Wirkungsgrades des die Verdichterlaufschaufel aufweisen¬ den Verdichters erreichbar ist. Die erfindungsgemäße Verdichterlaufschaufel für einen Ver¬ dichter in Axialbauweise, weist ein Schaufelprofil, das einen transsonischen Abschnitt aufweist, und einen sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckenden Profilschnitt des Schaufelprofils auf, der an seiner Saugseite einen konkaven Saugseitenbereich und einen konvexen Saugseitenbereich aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs angeordnet ist, und der an seiner Druckseite einen konvexen Druckseiten- bereich und einen konkaven Druckseitenbereich aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs angeordnet ist, wo¬ bei ein Krümmungsverlauf an der Druckseite des Profilschnitts und ein Krümmungsverlauf an der Saugseite des Profilschnitts jeweils aufgetragen über eine Profilsehne des Profilschnitts stetig sind, die Lagen der Minimalwerte der Krümmungsverläufe um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne voneinander abweichen sowie die Lagen der Maximalwerte der Krümmungsverläufe um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne vonei¬ nander abweichen, die Minimalwerte multipliziert mit der Län- ge der Profilsehne von -1,2 bis -0,5 und die Maximalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne von 1,5 bis 4 sind .
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Profilieren einer
Verdichterlaufschaufei für einen Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmediums in Axialbauweise, der eine Laufschaufel¬ reihe mit den Verdichterlaufschaufeln aufweist, wobei die Verdichterlaufschaufeln ein Schaufelprofil mit einem transsonischen Abschnitt aufweisen, weist die Schritte auf: Bereit- stellen eines geometrischen Modells des Schaufelprofils, wo¬ bei das Schaufelprofil einen Profilschnitt aufweist, der sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckt, und die Laufschau¬ felreihe eingerichtet ist, dass sich bei einer Nennbetriebs- bedingung des Verdichters ein Verdichtungsstoß einstellt, bei dem das Arbeitsmedium von Überschallgeschwindigkeit auf Un¬ terschallgeschwindigkeit verzögert wird; Festlegen von Rand¬ bedingungen für eine die Schaufel umströmende Strömung, die bei der Nennbetriebsbedingung auftritt; Verändern des Profilschnitts derart, dass die Saugseite einen konkaven Saugsei- tenbereich und einen konvexen Saugseitenbereich aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs angeordnet ist, und der an seiner Druckseite einen konvexen Druckseitenbereich und einen konkaven Druckseitenbereich aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs angeordnet ist, wobei ein Krümmungsverlauf an der Druckseite des Profilschnitts und ein Krümmungsverlauf an der Saugseite des Profilschnitts jeweils aufgetragen über eine Profilsehne des Profilschnitts stetig sind, die Lagen der Minimalwerte der Krümmungsverläufe um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne voneinander ab¬ weichen sowie die Lagen der Maximalwerte der Krümmungsverläu¬ fe um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne voneinan¬ der abweichen, die Minimalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne von -1,2 bis -0,5 und die Maximalwerte multi¬ pliziert mit der Länge der Profilsehne von 1,5 bis 4 sind, wobei der konvexe Saugseitenbereich zumindest teilweise stromauf eines Verdichtungsstoßes angeordnet ist, den eine sich in dem Verdichter bei den Randbedingungen einstellende Strömung aufweist, wodurch der Verdichtungsstoß bezogen auf die Länge der Profilsehne stromab eines Verdichtungsstoßes angeordnet ist, den eine Strömung aufweisen würde, die sich bei dem geometrischen Modell vor dem Verändern des Profilschnitts und bei der Nennbetriebsbedingung einstellen würde.
Es wurde gefunden, dass der Verdichter mit der erfindungsge¬ mäßen Verdichterlaufschaufei und/oder mit der mit dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren profilierten Verdichterlaufschaufei einen höheren Wirkungsgrad bei mindestens gleichem Betriebs- bereich hat als ein Verdichter mit der herkömmlichen
Verdichterlaufschaufei . Zudem sind die Machzahlen an der Saugseite der erfindungsgemäßen Verdichterlaufschaufei vor dem Verdichtungsstoß geringer als an der Saugseite der her¬ kömmlichen Verdichterlaufschaufei . Damit sind Ablösungen der Strömung an der Saugseite der erfindungsgemäßen
Verdichterlaufschaufei weniger wahrscheinlich als bei der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei . Zudem kann die erfindungsgemäße Verdichterlaufschaufei mit einer kürzeren Länge ihrer Profilsehne ausgeführt werden als es bei der herkömmli- chen Verdichterlaufschaufei der Fall ist, ohne dadurch Einbu¬ ßen des Wirkungsgrades oder eine Verkleinerung des Arbeitsbe¬ reichs hinzunehmen. Es ist bevorzugt, dass in dem konvexen Saugseitenbereich der Krümmungsverlauf multipliziert mit der Länge der Profilsehne einen Maximalwert hat, der von 2 bis 4 ist und in dem konka¬ ven Druckseitenbereich der Krümmungsverlauf multipliziert mit der Länge der Profilsehne einen Maximalwert hat, der von 1,5 bis 2,5 ist .
Es ist bevorzugt, dass der Punkt des konkaven Saugseitenbe¬ reichs mit der minimalen Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne des Profilschnitts auf dieser einen Pro¬ jektionspunkt vorgibt, der von der Vorderkante des Profil¬ schnitts von 40 % bis 80 %, insbesondere von 60 % bis 75 %, der Länge der Profilsehne entfernt ist. Es ist bevorzugt, dass der Punkt des konvexen Saugseitenbereichs mit der maxi¬ malen Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne des Profilschnitts auf dieser einen Projektionspunkt vorgibt, der von der Vorderkante des Profilschnitts von 70 % bis 95 %, insbesondere von 80 % bis 90 %, der Länge der Profilsehne entfernt ist. Durch jede der genannten Maßnahmen lässt sich der Wirkungsgrad des Verdichters weiter steigern.
Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Profilschnitts an allen Stellen des Profilschnitts senkrecht zur Profilsehne kürzer als 2,5 % der Länge der Profilsehne ist.
Der erfindungsgemäße Verdichter zum Verdichten eines Arbeits¬ mediums, weist eine Laufschaufelreihe auf, die die
Verdichterlaufschaufeln aufweist, wobei die Laufschaufelreihe eingerichtet ist, dass sich bei einer Nennbetriebsbedingung des Verdichters eine Vorkompression des Arbeitsmediums strom¬ auf eines Verdichtungsstoßes, bei dem das Arbeitsmedium von Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit ver¬ zögert wird, und stromauf eines von zwei benachbarten
Verdichterlaufschaufeln begrenzten Strömungskanals erfolgt.
Es ist bevorzugt, dass der Profilschnitt auf einer Zylinder¬ fläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusammen¬ fällt, auf einer Kegelfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusammenfällt, auf einer S i-Strömungsfläche des Verdichters oder in einer tangentialen Ebene des Verdichters liegt. Die S i-Strömungsfläche erstreckt sich in Umfangsrich- tung und in Axialrichtung der Axialströmungsmaschine und be- schreibt eine Fläche, der eine idealisierte Strömung folgt.
Beim Verändern des Profilschnitts wird bevorzugt dessen Ske¬ lettlinie verschoben, insbesondere wird nur die Skelettlinie verschoben. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Brei- te des Kanals zwischen zwei in einem Laufschaufelkranz benachbart angeordneten Verdichterlaufschaufein unverändert bleibt. Es ist bevorzugt, dass das geometrische Modell vor dem Verändern des Profilschnitts an dessen Druckseite aus¬ schließlich konkav ausgebildet und/oder an dessen Saugseite ausschließlich konvex ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass der Profilschnitt derart verändert wird, dass in dem konvexen Saugseitenbereich der Verlauf der Krümmung einen Maximalwert hat, der größer ist als der Maxi- malwert des Verlaufs der Krümmung im entsprechenden Bereich der herkömmlichen Verdichterlaufschaufel . Der Profilschnitt wird bevorzugt derart verändert, dass in dem konvexen Saug¬ seitenbereich der Verlauf der Krümmung multipliziert mit der Länge der Profilsehne einen Maximalwert hat, der von 2 bis 4 ist und in dem konkaven Druckseitenbereich der Verlauf der Krümmung multipliziert mit der Länge der Profilsehne einen Maximalwert hat, der von 1,5 bis 2,5 ist. Es ist bevorzugt, dass die Laufschaufelreihe derart ausgelegt wird, dass sich bei den Nennbetriebsbedingungen eine maximale isentrope Vor- stoß-Machzahl von 1,4, insbesondere von maximal 1,3, auf¬ weist. Es ist bevorzugt, dass der Profilschnitt derart verän¬ dert wird, dass der Punkt des konkaven Saugseitenbereichs mit der minimalen Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne des Profilschnitts auf dieser einen Projektions- punkt vorgibt, der von der Vorderkante des Profilschnitts von 40 % bis 80 % der Länge der Profilsehne entfernt ist. Durch jede der genannten Maßnahmen lässt sich der Wirkungsgrad des Verdichters weiter steigern. Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen und rechnerisch bestimmten Daten die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 die erfindungsgemäße Verdichterlaufschaufei mit einem rechnerisch bestimmten Strömungsfeld,
Figur 2 Machzahlverläufe an der herkömmlichen
Verdichterlaufschaufei und an der erfindungsgemäßen
Verdichterlaufschaufei ,
Figur 3 einen Profilschnitt der erfindungsgemäßen
Verdichterlaufschaufei ,
Figur 4 Krümmungsverläufe an der erfindungsgemäßen
Verdichterlaufschaufei und
Figur 5 die Machzahlverläufe aus Figur 2 mit normierten Län- gen der Profilsehnen.
Wie es aus Figuren 1 und 3 ersichtlich ist, weist eine
Verdichterlaufschaufei 1 für einen Verdichter in Axialbauwei¬ se ein Schaufelprofil auf. Das Schaufelprofil weist einen ra- dial innen liegenden subsonischen Abschnitt und einen radial außen liegenden transsonischen Abschnitt auf, wobei in Figuren 1 und 3 nur der transsonische Abschnitt dargestellt ist. Das Schaufelprofil weist einen Profilschnitt 21 auf, der sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckt. Beispielsweise liegt der Profilschnitt 21 auf einer Zylinderfläche, deren
Achse mit Achse des Verdichters zusammenfällt, auf einer Ke¬ gelfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusam¬ menfällt, auf einer S i-Strömungsfläche des Verdichters oder in einer tangentialen Ebene des Verdichters.
Der Profilschnitt 21 weist eine Vorderkante 2, eine Hinter¬ kante 3, eine Druckseite 4 und eine Saugseite 5 auf. In Figur 3 ist zudem eine Profilsehne 22 eingezeichnet, die sich als gerade Linie von der Vorderkante 2 bis zu der Hinterkante 3 erstreckt. Weiterhin zeigt Figur 3 eine Skelettlinie 23, die sich von der Vorderkante 2 bis zu der Hinterkante 3 erstreckt und sich in einer Richtung senkrecht zu der Profilsehne 22 stets mittig zwischen der Druckseite 4 und der Saugseite 5 befindet .
Figur 1 zeigt eine zweidimensionale Strömungsverteilung eines in dem Verdichter strömenden Arbeitsmediums in einem Bereich des Verdichters. In Figur 1 ist eine Laufschaufelreihe 15 mit den Verdichterlaufschaufeln 1, eine der Laufschaufelreihe 15 stromabwärtige Leitschaufelreihe 16 und eine der Laufschau¬ felreihe 15 stromaufwärtige Leitschaufelreihe 17 dargestellt. Der Profilschnitt 21 weist an seiner Saugseite 5 einen konka- ven Saugseitenbereich 10 auf, der zumindest teilweise stromauf eines Verdichtungsstoßes 18 angeordnet ist, den eine sich in dem Verdichter bei einer Nennbetriebsbedingung des Verdichters einstellende Strömung aufweist. Der Verdichtungsstoß 18 ist in Figur 1 in den Bereichen der Strömung angeordnet, in denen die Machzahl sich von höher als 1 auf niedriger als 1 vermindert. Zudem zeigt Figur 1, dass bei der Nennbetriebs¬ bedingung des Verdichters eine Vorkompression des Arbeitsme¬ diums stromauf des Verdichtungsstoßes 18 und stromauf eines von zwei benachbarten Verdichterlaufschaufeln 1 begrenzten Strömungskanals erfolgt.
Durch den konkaven Saugseitenbereich ist der Verdichtungsstoß 18 bezogen auf die Länge der Profilsehne 22 stromab eines Verdichtungsstoßes angeordnet, den eine Strömung aufweisen würde, die sich bei einer herkömmlichen
Verdichterlaufschaufei , die sich von der
Verdichterlaufschaufei 1 darin unterscheiden kann, dass sie an ihrer Saugseite 5 ausschließlich konvex ausgebildet ist, und bei der Nennbetriebsbedingung einstellen würde.
Figur 2 zeigt einen Vergleich der Machzahlverläufe an der Verdichterlaufschaufei 1 und der Machzahlverläufe an der her¬ kömmlichen Verdichterlaufschaufei . Über der Horizontalachse 19 ist ein Punkt auf der Profilsehne 22 des Profilschnitts 21 und über der Vertikalachse 20 ist die Machzahl aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 6 ist der Machzahlverlauf an der Druckseite der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 7 ist der Machzahlverlauf an der Saug¬ seite der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 8 ist der Machzahlverlauf an der Druckseite 4 der Verdichterlaufschaufei 1 und mit dem Bezugszei¬ chen 9 ist der Machzahlverlauf an der Saugseite 5 der
Verdichterlaufschaufei 1 bezeichnet.
Figur 5 zeigt die Machzahlverläufe aus Figur 2 bezogen auf die Länge der Profilsehne 22. Dazu wurde der Machzahlverlauf der Verdichterlaufschaufei 1 derart skaliert, dass die Vor- derkante 2 und die Hinterkante 3 der Verdichterlaufschaufei 1 mit der Vorderkante und der Hinterkante der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei zusammenfallen .
Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass der Machzahlverlauf 9 an der Saugseite 5 der Verdichterlaufschaufei 1 unmittelbar stromauf des Verdichtungsstoßes 18 niedrigere supersonische Machzahlen hat als der Machzahlverlauf 7 an der Saugseite der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei unmittelbar stromauf des Verdichtungsstoßes. Diese niedrigeren supersonischen Machzah- len werden über eine längere Erstreckung entlang der Profilsehne 22 als bei der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei ge¬ halten. Durch die niedrigeren supersonischen Machzahlen vor dem Verdichtungsstoß 18 werden Verluste vermindert. Dadurch, dass die supersonischen Machzahlen über die längere Erstre- ckung gehalten werden, ist die gesamte Profilbelastung, die mit der Differenz der Machzahlen an der Druckseite 4 und der Saugseite 5 korreliert, in dem subsonischen Bereich stromab des Verdichtungsstoßes 18 vergleichbar hoch wie bei der her¬ kömmlichen Verdichterlaufschaufei . Zudem ist aus Figur 1 er- sichtlich, dass der Verdichtungsstoß 18 schräg angeordnet ist, was bedeutet, dass mit zunehmendem Abstand von der Saug¬ seite 5 sich der Verdichtungsstoß 18 stromaufwärts bewegt. Dies führt ebenfalls zu einer Verminderung von Verlusten. Des Weiteren kann der Figur 2 entnommen werden, dass die Profilbelastung bei der Verdichterlaufschaufei 1 nach dem Verdichtungsstoß 18 deutlich höher ist als bei der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei . Durch die verminderten Verluste und durch höhere Profilbelastung in dem subsonischen Bereich ist mit der Verdichterlaufschaufei 1 ein höherer Wirkungsgrad als mit der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei erzielbar. Durch den höheren Wirkungsgrad kann die Verdichterlaufschaufei 1, wie es in Figur 2 dargestellt ist, kürzer als die herkömmli- che Verdichterlaufschaufei ausgeführt werden, wodurch Verlus¬ te durch Reibung des Arbeitsmediums an der
Verdichterlaufschaufei 1 vermindert werden können.
Figur 4 zeigt einen Krümmungsverlauf 27 entlang der Drucksei- te 4 und einen Krümmungsverlauf 28 entlang der Saugseite 5.
Beide Krümmungsverläufe 27, 28 sind stetig. Über die Horizon¬ talachse 25 ist die Länge der Profilsehne 22 und über die Vertikalachse 26 ist die Krümmung k multipliziert mit der Länge der Profilsehne 22 aufgetragen. Die Krümmung k ist de- finiert als
Aa da
k = lim = ,
&s— >o As ds wobei As die Länge eines Kreisbogens und Δ der Differenzwin- kel zwischen den Tangenten an den Endpunkten des Kreisbogens ist .
Konkave Saugseitenbereiche und konvexe Druckseitenbereiche zeichnen sich durch ein negatives Vorzeichen der Krümmung aus. Konvexe Saugseitenbereiche und konkave Druckseitenberei¬ che zeichnen sich durch ein positives Vorzeichen der Krümmung aus .
In dem konkaven Saugseitenbereich 10 hat der Verlauf der Krümmung multipliziert mit der Länge der Profilsehne 22 einen Minimalwert, der von -1,2 bis -0,5 ist. Der Profilschnitt 21 weist an seiner Saugseite 5 einen ersten konvexen Saugseiten- bereich 11 auf, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs 10 angeordnet ist. Der Profilschnitt 21 weist an seiner Saug¬ seite 5 einen zweiten konvexen Saugseitenbereich 12 auf, der stromauf des konkaven Saugseitenbereichs 10 angeordnet ist. In dem konvexen Saugseitenbereich 11 hat der Verlauf der
Krümmung einen Maximalwert, der größer ist als der Maximal¬ wert des Verlaufs der Krümmung im entsprechenden Bereich der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei , insbesondere hat in dem konvexen Saugseitenbereich 11 der Verlauf der Krümmung multi- pliziert mit der Länge der Profilsehne 22 einen Maximalwert, der von 2 bis 4 ist.
Der Punkt des konkaven Saugseitenbereichs 10 mit der minima¬ len Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne 22 des Profilschnitts 21 gibt auf dieser einen Projektions¬ punkt 24 vor, der von der Vorderkante des Profilschnitts 21 von 40 % bis 80 % der Länge der Profilsehne 22 entfernt ist. Der Punkt des konvexen Saugseitenbereichs 11 mit der maxima¬ len Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne 22 des Profilschnitts 21 gibt auf dieser einen Projektions¬ punkt 24 vor, der von der Vorderkante des 21 von 80 % bis 100% der Länge der Profilsehne 22 entfernt ist. Der Profil¬ schnitt 21 weist an seiner Druckseite 4 einen konvexen Druckseitenbereich 14 auf, der in einem Bereich angeordnet ist, der dem konkaven Saugseitenbereich 10 gegenüberliegend angeordnet ist.
Die Verdichterlauschaufel 1 ist beispielhaft wie folgt zu profilieren: Bereitstellen eines geometrischen Modells des Schaufelprofils, wobei das Schaufelprofil einen Profilschnitt 21 aufweist, der sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckt und auf einer Rotationsfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusammenfällt, auf einer Kegelfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusammenfällt, auf einer S i-Strömungsfläche des Verdichters oder in einer tan¬ gentialen Ebene des Verdichters liegt, und die Laufschaufel¬ reihe 15 eingerichtet ist, dass sich bei einer Nennbetriebs- bedingung des Verdichters ein Verdichtungsstoß 18 einstellt, bei dem das Arbeitsmedium von Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit verzögert wird; - Festlegen von Randbedingungen für eine die Schaufel 14, 15 umströmende Strömung, die bei der Nennbetriebsbedingung auftritt;
- Verändern des Profilschnitts 21 derart, dass lediglich die Skelettlinie verschoben wird und die Saugseite 5 einen konka¬ ven Saugseitenbereich 10 und einen konvexen Saugseitenbereich 11 aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs 10 angeordnet ist, und der an seiner Druckseite 4 einen konvexen Druckseitenbereich 14 und einen konkaven Druckseitenbereich 13 aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs 14 angeordnet ist, wobei ein Krümmungsverlauf 27 an der Druck¬ seite 4 des Profilschnitts 21 und ein Krümmungsverlauf 28 an der Saugseite 5 des Profilschnitts 21 jeweils aufgetragen über eine Profilsehne 22 des Profilschnitts 21 stetig sind, die Lagen der Minimalwerte der Krümmungsverläufe 27, 28 um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne 22 voneinander abweichen sowie die Lagen der Maximalwerte der Krümmungsverläufe 27, 28 um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne 22 voneinander abweichen, die Minimalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) von -1,2 bis -0,5 und die Ma¬ ximalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne 22 von 1,5 bis 4 sind, wobei der konvexe Saugseitenbereich 11 zumindest teilweise stromauf eines Verdichtungsstoßes 18 angeord- net ist, den eine sich in dem Verdichter bei den Randbedingungen einstellende Strömung aufweist, wodurch der Verdichtungsstoß 18 bezogen auf die Länge der Profilsehne 22 stromab eines Verdichtungsstoßes angeordnet ist, den eine Strömung aufweisen würde, die sich bei dem geometrischen Modell vor dem Verändern des Profilschnitts und bei der Nennbetriebsbe¬ dingung einstellen würde.
Ob sich der Verdichtungsstoß 18 durch das Verändern des Pro¬ filschnitts stromab verschiebt, kann rechnerisch, insbesonde- re durch eine Finite Volumen Methode, oder experimentell be¬ stimmt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verdichterlaufschaufei für einen Verdichter in Axialbau¬ weise, mit einem Schaufelprofil, das einen transsonischen Ab- schnitt aufweist, und einem sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckenden Profilschnitt (21) des Schaufelprofils, der an seiner Saugseite (5) einen konkaven Saugseitenbereich (10) und einen konvexen Saugseitenbereich (11) aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs (10) angeordnet ist, und der an seiner Druckseite (4) einen konvexen Druckseitenbereich (14) und einen konkaven Druckseitenbereich (13) aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs (14) an¬ geordnet ist, wobei ein Krümmungsverlauf (27) an der Druck¬ seite (4) des Profilschnitts (21) und ein Krümmungsverlauf (28) an der Saugseite (5) des Profilschnitts (21) jeweils aufgetragen über eine Profilsehne (22) des Profilschnitts
(21) stetig sind, die Lagen der Minimalwerte der Krümmungs¬ verläufe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Pro¬ filsehne (22) voneinander abweichen sowie die Lagen der Maxi- malwerte der Krümmungsverläufe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne (22) voneinander abweichen, die Minimalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne
(22) von -1,2 bis -0,5 und die Maximalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) von 1,5 bis 4 sind.
2. Verdichterlaufschaufei gemäß Anspruch 1,
wobei in dem konvexen Saugseitenbereich (11) der Krümmungsverlauf (28) multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) einen Maximalwert hat, der von 2 bis 4 ist und in dem konka- ven Druckseitenbereich (13) der Krümmungsverlauf (27) multi¬ pliziert mit der Länge der Profilsehne (22) einen Maximalwert hat, der von 1,5 bis 2,5 ist.
3. Verdichterlaufschaufei gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Punkt des konkaven Saugseitenbereichs (10) mit der minimalen Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne (22) des Profilschnitts (21) auf dieser einen Projekti- onspunkt (24) vorgibt, der von der Vorderkante (2) des Pro¬ filschnitts (21) von 40 % bis 80 % der Länge der Profilsehne (22) entfernt ist.
4. Verdichterlaufschaufei gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dicke des Profilschnitts senkrecht zur Profilsehne
(22) kürzer als 2,5 % der Länge der Profilsehne (22) ist.
5. Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmediums, mit einer Laufschaufelreihe (15), die die Verdichterlaufschaufeln (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist,
wobei die Laufschaufelreihe (15) eingerichtet ist, dass sich bei einer Nennbetriebsbedingung des Verdichters eine Vorkompression des Arbeitsmediums stromauf eines Verdichtungsstoßes (18), bei dem das Arbeitsmedium von Überschallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit verzögert wird, und stromauf eines von zwei benachbarten Verdichterlaufschaufeln (1) begrenzten Strömungskanals erfolgt.
6. Verfahren zum Profilieren einer Verdichterlaufschaufei (1) für einen Verdichter zum Verdichten eines Arbeitsmediums in Axialbauweise, der eine Laufschaufelreihe (15) mit den
Verdichterlaufschaufeln (1) aufweist,
wobei die Verdichterlaufschaufeln (1) ein Schaufelprofil mit einem transsonischen Abschnitt aufweisen und das Verfahren die Schritte aufweist:
- Bereitstellen eines geometrischen Modells des Schaufelpro- fils, wobei das Schaufelprofil einen Profilschnitt (21) auf¬ weist, der sich in dem transsonischen Abschnitt erstreckt, und die Laufschaufelreihe (15) eingerichtet ist, dass sich bei einer Nennbetriebsbedingung des Verdichters ein Verdichtungsstoß (18) einstellt, bei dem das Arbeitsmedium von Über- Schallgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit verzö¬ gert wird;
- Festlegen von Randbedingungen für eine die Schaufel (14, 15) umströmende Strömung, die bei der Nennbetriebsbedingung auftritt ;
- Verändern des Profilschnitts (21) derart, dass die Saugsei¬ te (5) einen konkaven Saugseitenbereich (10) und einen konvexen Saugseitenbereich (11) aufweist, der stromab des konkaven Saugseitenbereichs (10) angeordnet ist, und der an seiner Druckseite (4) einen konvexen Druckseitenbereich (14) und ei- nen konkaven Druckseitenbereich (13) aufweist, der stromab des konvexen Druckseitenbereichs (14) angeordnet ist, wobei ein Krümmungsverlauf (27) an der Druckseite (4) des Profil¬ schnitts (21) und ein Krümmungsverlauf (28) an der Saugseite (5) des Profilschnitts (21) jeweils aufgetragen über eine Profilsehne (22) des Profilschnitts (21) stetig sind, die La¬ gen der Minimalwerte der Krümmungsverläufe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne (22) voneinander ab¬ weichen sowie die Lagen der Maximalwerte der Krümmungsverläu¬ fe (27, 28) um nicht mehr als 10 % der Länge der Profilsehne (22) voneinander abweichen, die Minimalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) von -1,2 bis -0,5 und die Maximalwerte multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) von 1,5 bis 4 sind, wobei der konvexe Saugseitenbereich (11) zumindest teilweise stromauf eines Verdichtungsstoßes (18) angeordnet ist, den eine sich in dem Verdichter bei den Rand¬ bedingungen einstellende Strömung aufweist, wodurch der Verdichtungsstoß (18) bezogen auf die Länge der Profilsehne (22) stromab eines Verdichtungsstoßes angeordnet ist, den eine
Strömung aufweisen würde, die sich bei dem geometrischen Modell vor dem Verändern des Profilschnitts und bei der Nennbe- triebsbedingung einstellen würde.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6,
wobei der Profilschnitt (21) auf einer Zylinderfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusammenfällt, auf einer Kegelfläche, deren Achse mit der Achse des Verdichters zusam¬ menfällt, auf einer S i-Strömungsfläche des Verdichters oder in einer tangentialen Ebene des Verdichters liegt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7,
wobei beim Verändern des Profilschnitts (21) dessen Skelett¬ linie (23) verschoben wird, insbesondere wird nur die Ske- lettlinie (23) verschoben.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei das geometrische Modell vor dem Verändern des Profil¬ schnitts (21) an dessen Druckseite (4) ausschließlich konkav ausgebildet ist und/oder an dessen Saugseite (5) ausschlie߬ lich konvex ausgebildet ist.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9,
wobei der Profilschnitt (21) derart verändert wird, dass in dem konvexen Saugseitenbereich (11) der Verlauf der Krümmung einen Maximalwert hat, der größer ist als der Maximalwert des Verlaufs der Krümmung im entsprechenden Bereich der herkömmlichen Verdichterlaufschaufei .
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Profilschnitt derart verändert wird, dass in dem konvexen Saugseitenbereich (11) der Verlauf der Krümmung mul- tipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) einen Maximal¬ wert hat, der von 2 bis 4 ist und in dem konkaven Drucksei¬ tenbereich (13) der Verlauf der Krümmung multipliziert mit der Länge der Profilsehne (22) einen Maximalwert hat, der von 1,5 bis 2,5 ist.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11,
wobei der Profilschnitt (21) derart verändert wird, dass der Punkt des konkaven Saugseitenbereichs (10) mit der minimalen Krümmung bei senkrechter Projektion auf die Profilsehne des Profilschnitts auf dieser einen Projektionspunkt (24) vor¬ gibt, der von der Vorderkante des Profilschnitts von 40 % bis 80 % der Länge der Profilsehne (22) entfernt ist.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12,
wobei die Laufschaufelreihe (15) derart ausgelegt wird, dass sich bei den Nennbetriebsbedingungen eine maximale isentrope Machzahl von 1,4, insbesondere von maximal 1,3, aufweist.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13,
wobei der Profilschnitt derart ausgelegt wird, dass die Dicke des Profilschnitts senkrecht zur Profilsehne (22) kürzer als 2,5 % der Länge der Profilsehne (22) ist.
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