DE1628267A1 - Schaufel fuer einen Axialstroemungskompressor - Google Patents

Description

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Schaufel für einen Axialströmungskompressor

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke, die Axialströmungakompressoren aufweisen und insbesondere auf verbesserte Schaufeln für derartige Kompressoren,,

Ein Versuch, die Leistung eines Gasturbinentriebwerkes zu steigern, welches für den Antrieb von Plugzeugen verwendet wird, besteht darin, den Durchmesser und/oder die Drehzahl des Rotors derartiger Kompressoren zu erhöhen,, Dies führte dazu-, da;ß die tangentiale Geschwindigkeit der Schaufelspitzen Außerordentlich hoch waren und sehr oft Überschallgeschwindigkeiten erreichten. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten der Schaufelspitzen treten ganz erhebliche Probleme auf, die sich aus der"Erosion ergeben, -welche durch Regen- ' wasser erzeugt wird, das^ in den Lufteintritt gelangt. Die . durch Regenwasser erzeugte Eroaion aowie die von Staubteilchen erzeugt Eroaion kann ganz erheblich dio Leistung und die Lebensdauer der Kompressorachaufel auch bei normalem

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Flugbetrieb herabsetzen und zwar auch dann, wenn diese Teile nur kurzzeitig dem Regen ausgesetzt sind.

Kompressorschaufeln sind gewöhnlich aus einem hochfesten Metall hergestellt. Es wurden sehr viele Anstrengungen in der letzten Zeit unternommen,um die Kompressoren zu verbessern und zwar insbesondere solche, die aus mehreren Schichten aufgebaut sind,, Es wurden Kompressoren entworfen, bei denen Kunststoffe verwendet werden, die mit Glasfasern verstärkt sind. Solche geschichteten Konstruktionen ermöglichen große Gewichtseinsparungen, sind jedoch ganz erheblich einer Eroaionswirkung durch den Hegen oder durch die Staubteilchen ausgesetzt, die in der Luft enthalten sind, welche in derartige Kompressoren eintritt und durch diese hindurchgeht«

Ein ähnliches ErOsionaproblem ist bei Dampfturbinen vorhanden und hat dazu geführt, daßSchlitze in der konvexen Qbetfflache einer Turbinenschaufel vorgesehen sein sollten, die sich durch die Vorderkante der Schaufel hinduroh erstrecken, um die Erosionswirkung von Kondensatteilchen in Vakuumturbinen herabzusetzen. Eine derartige technische iehre ist jedoch nicht bei Kompressorschaufein anwendbar und insbesondere nicht bei Kompressoren, die in Gastürbinemtriebwerken ver-

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wendet werden, wobei ein Iioiler Wirkungsgrad erforderlich ist, um die Gewichtsbedingungen und Brennstoffverbrauehsbedlngungen erfüllen zu können«,

Es ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, Erosionswirkung des Eegens und anderer Teilchen, die in der luft enthalten sind, welche durch einen Kompressor hindurchgeht, wesentlich herabzusetzen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad des Kompressors aufrechtzuerhalten·

i)lese Ziele werden in einem Gasturbinentriebwerk erreicht, •welches einen Axialströmungskompressor aufweist* der einen beschaufelten Rotor hat, der angetrieben wird, um !ruft zu komprimieren, wobei diese Luft VerWendet werden kann, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten oder um eine Antriebskraft zu erzeugen. I)Ie Schaufeln des Rotors sind wenigstens in einer IJmfangsreihe ahgeordneto Es ist ebenfalls üblich, eine Umfangsreihe /von festen Schaufeln unmittelbar stromab von den Rötörsehauf ein anzuordnen ο

Bei einem G-astürbinentriebwerk, welches einen Axialströmungskompressor hat, der einen angetriebenen beschaufelten Rotor hat, um die Iiuft zu*komprimieren, wobei die Schaufeln des Rotors in wenigstens einer üiafan^sreihe angeordnet sind und

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wobei jede Kompressorschaufel am Einlaß des Kompressors einen aerodynamischen tragflächenförmigen Abschnitt aufweist, der sich radial zur Drehachse des Rotors erstreckt, wobei jede Schaufel bezüglich der Luftströmung eine Vorder- und eine Hinterkante aufweist, und wobei der Vorderkantenabschnitt eine theoretisch optimale Krümmung über einen Winkelbereich von etwas weniger als. 180° zu beiden Seiten der Schaufel aufweist, die im gleichen Abstand von einer Sehne angeordnet sind, welche sich zwischen der Hinterkante und der Vorderkante der Schaufel erstreckt, ist erfindungsgemäß die Vorderkante wenigstens an ihrem äußeren Endabschnitt inrelatif kleine in Längsrichtung sich erstreckende Stufenabschnitte unterteilt, die unter einem Winkel (oL) von 30 . - 75 relativ zur Gasströmung geneigt sind,.wobei die Schaufel Abschnitte aufweist, die unter einem Winkel (/3 ) von 0 - 50 relativ zu dieser Gasströmung geneigt sind und wobei diese Abschnitte mit den geneigten Stufenabschnitten verbunden sind und wobei diese Verbindungsabschnitte relativ zur Gasströmung in der gleichen Richtung geneigt sind wie die in Längsrichtung sich erstreckenden Stufenabschnitte, um Zähne zu bilden, die hakenförmige Teile aufweisen, welohe durch die Spitzen der Zähne gegen Regentropfen oder ähnliche Teilchen geschützt sind, die vom Luftstrom mitgeführt werden, wobei gleichzeitig eine Vorderkante geschaffen wird, die gegen die Korrosionseinwirkungen des Regens oder dergleichen

1 0 9 8 45/0246 widerstandsfähig

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widerständsfähig ist, wobei nur eine geringe nachteilige Einwirkung, oder sogar gar keine nachteilige Einwirkung auf die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufeln entsteht.

Die im vorstehenden aufgeführten tmd weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren-der Zeichnung erläutert .-werden« Es zeigen: . .

o 1 eine schematische/ Ansicht eines <xagturbinentriebwerkesj>

Jig. 2 eine Ansicht eii^er Komprössdrsöhaufel, die in einem derartigen Triebwerk verwendet wird,

Pig» 3 eine vergrößerte teilperspektivisehe Ansicht des oberen vorderen KantenaiDschnittes dieser Schaufel,

Jig^eine Seitenansioht des vorderen Kantenatischnittea der Schaufel, gesehen von der konkaven Oberfläche der Schaufel aus _t - ^:

Jig, 5 eine Schnittahsich_:t genommen längs der Linie Y-V der Fig.· 4* .'

3±g, .6 eine Schnittansiciit genommen längs der Linie VI-TI .. . der Fig· 4,. ■ V ; / ;- ■.;-■'_ ■./, : _;- ;;..- ;\ _: ■;._ -._

Fig.·; 7 ein^ Schnittansicht; genommen Xängs d©i* Linie VII-VII

der Fig* 4, ' ■ ;r-^::; '/^ ^: -■-. -^ . _Λ ■ ... -■_,' - Fig> 3 eine Sdhnittanäiöht genommen längs der Linie ■ VIII-VIIl der Figf 4f

-Pig. 9 eine teilperspektivische Ansicht des oberen Vorder-".: kantenabschnitte s einer weiteren. Schaufelform und

Pig*10 eine Schnittansicht genommen längs der Linie'X*-X "

der Pig» 9* " ^ - ; : ·

Pig. 1 stellt ein Gasturbinentriebwerk dar, bei dem die vorliegende Erfindung verwendet wird. Das dargestellte Triebwerk' ist ein Zweikreistriebwerk und weist ein Zentraltriebv/erk 10 und ein Gebläse öder einen Mederdruckkompressor 12 auf« Das Zentraltriebv/erk 10 weist einen Hochdruckkömpressqr 14 auf, einen Brennkammerabschnitt 16 und eine Turbine 18* Luft wird vom Kompressor 14 komprimiert, um die Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkammer 16 aufrechtzuerhalten« Dadurch wird ein heißer Gasstrom erzeugt, der durch die Turbine 18 hindurchgeht* Der Rotor des Kompressors 14 ist mit der Turbine 18 'verbunden und wird von dieser angetrieben. Der heiße Gasstrom geht dann durch einen zweiten Kompressor 20 hindurch, der mit dem Rotor 26 des Gebläses 12 verbunden ist, um dieses Geblase anzutreiben·

Ein Teil der vom Gebläse 12 komprimierten Luft wird durch eine Bypaas-Düse 22 abgegeben, um eine Antriebskraft zu erzeugen. Der Rest dieser komprimierten Luft tritt in den Kompressor 14 ein, um einen heißen Gasstrom zu erzeugen· wie

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es\ bereits besehrieben wurde. Der heiße Gasstrom wird dann, nachdemdieser durch, die Gebläseturhiiie 20 Mndurchgegangen ist, durch eine Austrittsdüse 24 ausgestoßen, um eine zusätzliche Antriebskraft zu erzeugen. . ; ,

Das Geliläse 12 -weist einen Rotor 26 auf, der eine einzige ümfangsreihet von Schaufeln 28 mit Tragflächenprofil hat, die sich innerhalb eines Gehäuses 30 drehen. Die Luft strömt . von den Eotorschaufeln 2S zu einer Reihe von Statorschäuf ein 32~, weiche in richtiger Weise die komprimierte Luft zur Düse 22 hin und zum Triebwerk 10 leiten. "-.'."

Die Figuren 2 - 8 zeigen^ im -einzelnen eine der Schaufeln 28« Die Schaufel seihst weisteinenAbschnitt. 34 mit Tragflächen-■pr.öfil"-auf j der am inneren JSnde in einer Plattform 36 endet,. Die PlattXormen benachbarter Schaufeln sind in diGhter Anlage gegeneinanderanliegend angeordnet, um einen inneren Strömungsweg für die Luft zu begrenzen, die durch das Gebläse hindurch-

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geht. Eine Wurzel 38 ist an der Basis der Söhaufel vorgesehen, damit diese Schaufel in der üblichen Weise am Rotor 26 montiert werden kann» ' ■

Wie aus den Piguren der Zeichnung zu erkennen ist> erstreckt eich die Schaufei 28 radial von der Drehachse des Rotors 26 aus, und weist eine aerodynamische Quersclmittsform auf„

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Me Gestaltung einer derartigen aerodynamischen Querschnittsform ist ein komplizierter Vorg£ing, der. von verschiedenen Parametern wie beispielsweise von der Drehzahl, von der · ^; Länge, vom gewünschten Drucitverhältnis usWoabhängte Pur * - ·-."■ jeden vorgegebenen Kompressor existiert eine theoretisch optimale Krümmung der Seiten der Schaufel und insbesondere existiert eine derartige theoretisch optimale Krümmung für den Vorderkantenabschnitt, bei welchem eine relativ scharfe Krümmung üblicher Weise über eine WinkelerStreckungvorgesehen ist, die etwas kleiner als 180 zu beiden Seiten der Schaufel ist. Die gegenüberliegenden Seiten der Schaufel sind in gleichen Abständen von einer Sehne angeordnet, die sich zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufel erstreckt,, Diese Beziehungen sind in Pig, 3; darge- ' stellt« - ■: '* -

Die Vorderkante der Schaufel 28 ist durch stufenförmige Längsabschnitte 40 charakterisiert, die relativ zur Luftströmung geneigt sind und 'die mit Abschnitten 42 verbunden sind, um Zähne zu bilden, die Spitzen haben, welche über gekrümmten Haken liegen, die am inneren Konvergenzende der Oberflächen 40 und 42 angeordnet sind»

Es sei angenommen, daß die Zähne an ihren Spitzen die theoretisch gewünschte Vorderkantenkrüimnung aufweisen und aus den Figuren',7 und"'S ^ifis't zu e'r seh en,'daß die geirigten Abschnitte

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40 im wesentlichenüber ihre gesamte Länge dieser gewünschten Krümmung entsprechen« Die Oberfläche 42 iiit vorzugsweise an den äußeren Enden der Zähne flach und ist progressiv (Pig· 8) zu den Haien hin gewörbt_r &o daß: der .gdrümmte Haken die ΙΌπη eines Sattels haben kann, -der in die Krümmung dös geneigten Abschnittes 40 übergeht* ^

TTm einen maximalen. Wirkungsgrad helm Widerstand gegen eine Erosion zu erzielen, und zwar mit geringem oder keinem schädlichen Einfluß auf die aerodynamischen Eigenschaften, -wird bevorzugt, der geneigte Seil 40 unter einem·Winkel {JL ) relativ zur Mftströmungsrichtuhg angeordnet, der vorzugsweise zwischen 30° und 75° liegte Es ist ferner bevorzugt* daß die Verbindungsabschnitte .4έ unter einem Winkel (/3)·zwischen 0° und 20° relativ zur Luftströmung angeordnet sind. Es sei bermerkt, daß "faeia-e Abschnitte 40 und 42 in gleicher ilichtung^relativ zur Luftströmung geneigt sind, wödtnch ein sogenannter Sägeaahneffekt erftsteftt» durch wölehen die Spitzen 4er Zähne die Hakenafesohnitte schützenis Λ/ιβ es im. vorsteheudeii dargelegt -wurde» Bevorzugt sind die ^ähne zum äußeren Ende dei¹ Böhaufel hin, wie^ dargesfelltf g:eneig;t_l vm ^änipngskoßäeiitratiötteEt auf ein Mniütüa

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spitz zulaufen« Dies bildet eine gewisse Abweichung von der __ theoretischen Tr^lächenprofilkrümmung und diese geringe Abweichung ist zulässig und für bestimmte Materialien wünschenswert, wie es im folgenden noch erläutert werden soll.

Es wurde gefunden, daß die Anordnung der stufenförmigen geneigten Abschnitte 40 außerordentlich wirksam ist, um eine Erosion zu verhindern oder auf ein Minimum herabzusetzen, die durch Regenteilchen oder dergleichen erzeugt wird, die mit der Luft mitgeführt werden, welche durch den Kompressor hindurchgeht» Die geneigten Abschnitte erzeugen für die Regentropf 'ent eilchen einen Aufprallwinkel, durch den die Erosionswirkung herabgesetzt wird. Dieser Winkel kann sich innerhalb weiter (Frenzen verändern wie es durch die bevorzugten G-renzen des im vorstehenden angegebenen Winkei (oC) angezeigt wurde· Die Ausbildung von sogenannten AbweisobeifLächen der Zähne stellt siclJBrydaß alle Seile der Vorderkante derartig geneigte Aufprallflächen haben« Die Spitzen der Zähne schützen die Hakenabschnitte gegen eine direkten Aufprall von Luftteilchen. Der Querschnitt der Zähne nähert sich bezogen auf die Längsrichtung der Schaufel der optimalen Iragfläohenform, so da& die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufeln, die gemäß

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der Erfindung ausgebildet sind, nur einen geringen oder gar keinen Wirkungsgradverlust halo en und teilweise kann der Wirkungsgrad sogar zunehmen«

Wie im vorstehenden dargelegt, ist. der unter einem Winkel erfolgende Aufprall von Regenteilchen auf die Schaufel erforderlich, und die zugespitzten Spitsenenden, die in den Figuren 9 und 10 dargestellt sind, können vorgesehen sein, um für gewisse Materialien "bessere Winkelflächen zu schaffen wie beispielsweise für Kunststoffmaterialien»

Die Verwendung von gestuften geneigten Abschnitten wurde in Verbindung mit der ersten Reihe von Geblaseschaufeln diskutiert, wobei an dieser Stelle, die Erosionsprobleme am größten sind« Die gleichen Merkmale können jedoch mit Vorteil bei Statorschaufeln,vorgesehen sein sowie bei gewöhnlichen Strahltriebwerken, Es können Abweichungen von der dargestellten Konfiguration vorgenommen werden,. die im Rahmen der Erfindung liegen.^;

^aireiltänspruche

Claims (2)

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Patentan s ρ r ü c h e

λ Gasturbinentriebwerk mit einem Axialströmungakompressor,. der einen angetriebenen beschaufelten Rotor aufweist, um Luft zu komprimieren, wobei die Schaufeln des Rotors in wenigstens einer Umfangsreihe angeordnet sind und wobei jede Kompressorschaufel am Einlaß des Kompressors einen aerodynamischen Abschnitt mit Iragflächenprofilquerschnitt aufwei.st, der sich radial zur Drehachse des Rotors erstreckt und der relativ zur Luftströmung eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, wobei der Vorderkantenabschnitt eine theoretisch optimale Krümmung über einen Winkelbereich von etwas weniger als 180 gegenüber den gegenüberliegenden Seiten der Schaufeln aufweist, die gleiche Abs tanä'e tion' einer Sehne haben, welche sich zwischen der Vorder-und Hinterkante der Schaufel erstreckt,'dadurch gekennzeichnet j daßclie¹ ' Vorderkante, wenigstens an ihrem· äuße-ren- Endabschnitt = kleine in Längsrichtung gerichtete stufenförmige Abschnitte äufw'eist, die ; unter■ einem Winkel (et) von 30° — ?5° relativ 'zur Gas- ' strömung geneigt sind; daß die Schaufel Abschnitte' aufwelaü, die unter einem Winkel (A) von 0° - 30° relativ zur Gasströmung geneigt, sind, die mit den geneigten Stufenabschnitten verbunden sind, daß diese zuletztgenannten Verbindungsabschnitte relativ zur Gasströmung in der gleichen Richtung

109845/0246 . ' _ - _v geneigt

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genelgt sind, wie die Stufenabschnitte, tun Zähne zu MIden, die Halcenteile aufweisen, tv eiche durch die Spitzen der Zähne gegen Segen oder ähnlich [feirohen geschützt sind, die vom Luftstrom mitgeführt v?erdeü*währen.d- gleichzeitig eine- . Vorderkante gebildet wird., die gegsn die korrosiven Einflüsse τοπ Eigen oder dergleichen widerstandsfähig ist, -wofiei die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel überhaupt nicht oder- nur geringfügig beeinträchtigt Werdenp ' ■- .

2. GasturTDinentriel3-werl£ nach AnspruGh 1, dadurch gelkennzeichnet, daß die geneigtön stufenförmigen lantenatischnitte im: Querschnitt und zwar in Längsrichtung der "Schaufel eine Krümmung aufweisen> die etwa der hesagtem the ore tisichen Krümmung entspricht

« Qasturhinentr-ielawerfe- nach Än-spruch. % und:. 2 ₁ ^: da^durcji zeiQhnetjf daß die: ve£Mndend.eii AhsQhnitite aji de;Kt Spitz:en Mhne-im wese.ntliclien flacli sind und mi den Ifat aehr-eite^d gewolbt sisi _t..- wo^eii die Krümmung jfer liiö die. Kriißimung der geneigte.il Abschnitte am Ifeken

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