DE2309404A1

DE2309404A1 - Schaufel fuer stroemungsmaschinen

Info

Publication number: DE2309404A1
Application number: DE19732309404
Authority: DE
Inventors: Kenneth Ronald Guy; Robert Burns Hood
Original assignee: Rolls Royce 1971 Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-02-24
Publication date: 1973-09-13
Also published as: FR2175429A5; GB1419381A; DE2309404C2; JPS48101603A; JPS5430123B2; IT977572B; US3871791A

Description

VATBHT	AKWAIjT
DIFL. INO. B.	HOLZEB
A9 AUG	8BURG
VHIUPPXM - WBi	LHKB-PTBAMa U
*■■■■■	*w, at·«**

Augsburg, den 22. Februar 1973

Rolls-Royce (1971) Limited, l4/lb Conduit Street, London W.l,

England

Schaufel für Strömungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Strömungsmaschinen, mit einem Schaufelblatt, einem Schaft und einem Schaufelfuß.

Das Schaufelblatt weist die durch die Aerodynamik von der Schaufel geforderte Schränkung, Profilkrümmung und Profilform auf. Der Schaufelfuß greift in eine entsprechende öffnung

309837/0401

eines Rotorkörpers ein und hält die Schaufel unter anderem entgegen der Fliehkraft fest. Der Schaft schließlich verbindet den Schaufelfuß mit dem Schaufelblatt und ermöglicht eine gewisse Elastizität zwischen dem Schaufelfuß und dem Schaufelblatt. Bei bekannten Schaufeln weist jedoch der Schaft eine wesentlich größere Querschnittsfläche als das Schaufelblatt auf, so daß die Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaft eine Stelle mit verhältnismäßig großer Spannungskonzentration darstellt.

Aus aerodynamischen Gründen vermindert sich der Sehränkungswinkel des Schaufelblatts fortschreitend mit Bezug auf die Maschinenhauptachse radial einwärts; diese Änderung des Schränkungswinkels wird als Verwindung bezeichnet. Unter dem Einfluß der Fliehkraft bildet sich infolge der Verwindung der Schaufel ein Torsionskräftepaar, das so gerichtet ist, daß es die Verwindung zu vermindern sucht. An den von den Endeinschnürungen entfernt liegenden Bereichen des Schaufelblatts bewirkt das Torsionsmoment eine Verminderung der Zentrifugalspannung an der Vorderkante und der Hinterkante des Schaufelblatts und eine Vergrößerung der Zentrifugalspannung in den mittleren Teilen des Schaufeiblattquerschnitts. Die so hervorgerufenen Spannungen neigen dazu, eine Querschnittsverformung aus der Ebene heraus zu erzeugen.

2 -

309837/040 1

An der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaft beschränkt die verhältnismäßig größere Steifigkeit des Schaftes die Verformung des Schaufelblatts aus der Ebene heraus und bewirkt Scherspannungen. Es kann gezeigt werden, daß diese Scherspannungen mit größer werdender Schaufelkrümmung anwachsen.

Bei verhältnismäßig stark gekrümmten und verwundenen Laufschaufeln für Gebläse beherrschen die Scherspannungen das Spannungsbild am inneren Schaufelblattende, was für die Schaufelkonstruktion kritisch sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Scherbeanspruchungen vermindert werden.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist eine solche Schaufel gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft an seinem vom Schaufelfuß abgewandten Ende dieselbe Schränkung, dieselbe ProfilkrUmmung und dieselbe Profilform aufweist wie das ihm zugewandte Ende des Schaufelblatts und daß sich die ProfilkrUmmung des Schaftes zum Schaufelfuß hin fortschreitend verringert.

309837/0A01

Die Verminderung der Profilkrümmung führt zu einer entsprechenden Verminderung der Scherbeanspruchungen, welch letztere nunmehr am fußseitigen Ende des Schaftes auftreten. Der Schaft weist vorzugsweise eine solche Länge auf, daß eine Verminderung der Profilkrümmung bis auf Null am fußseitigen Ende möglich ist. Dadurch werden die Scherbeanspruchungen auf ein Minimum verringert.

Die Schränkung des Schaftes kann ebenfalls fortschreitend zum fußseitigen Ende des Schaftes hin vermindert werden, so daß eine Verbesserung der Spannungsverteilung im Schaft und eine Verminderung der Spannungskonzentrationen an der Aussparung des Rotorkörpers für den Schaufelfuß möglich werden·

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben« Es zeigen:

Pig. I eine Seitenansicht einer Gebläse

schaufel eines Gasturbinentriebwerks nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht der in Fig. 1 ge-

309837/0401

zeigten Schaufel in Richtung des Pfeiles II,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in den Pig, I

und 2 dargestellte Schaufel,

Fig, M einen gemäß der in Fig, I eingezeich

neten Schnittlinie C-C verlaufenden Schnitt, der jedoch in der gleichen Lage wie Fig. 3 gezeichnet ist,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Schaufe.,, und

Fig. 6 eine Schnittdarstellung ähnlich

Fig, 4 der in Fig, 5 gezeigten Schaufel,

In den Fig. 1 bis ^ ist ein Rotor 10 angedeutet, der eine Rotorsoheibe 11 und Schaufeln 12 aufweist, von denen nur eine dargestellt.ist. Die Schaufel besteht aus einem Schaufelblatt 13, einem Schaft I^ und einem Schaufelfuß 15, An der Verbindungsstelle zwischen dem Schaft und dem Schaufelblatt weist die Schaufel eine Platte 1β auf, die ein Wandungsteil des durch das Schaufelblatt beherrschten "itrörnungskanais bildet.

0 ^{.. B "-: 7 / 0 f, 0

2303404

Die Schaufel ist an der Rotorscheibe befestigt, indem der Schaufelfuß gemäß Fig, 2 in eine entsprechende Aussparung der Rotorscheibe 11 eingreift. Die Drehachse des Rotors ist mit 19 bezeichnet (Fig. 3 und 4). Die Drehrichtung des Rotors ist in den Fig. 2 und 3 durch einen Pfeil 20 angedeutet. Auf der Linie 21 liegen die Schwerpunkte sämtlicher Querschnitte der Schaufel.

Die Schaufelquerschnitte in den Ebenen A-A, B-B, C-C und D-D (Fig. 1) sind in den Fig. 2, 3 und ¹J entsprechend mit Al, Bl, Cl und Dl bezeichnet.

Die Änderung des Querschnitts zwischen dem radial inneren Ende und dem radial äußeren Ende des Schaufelblatts ist nach bekannten Grundsätzen festgelegt und braucht nicht näher erörtert zu werden; wichtig sind jedoch die Änderung der Schränkung und die Profilkrümmung der Schaufel,

Beispielsweise beim Querschnitt. Al (Fig. 2) ist die Schränkung durch einen Winkel oC zwischen der Sehne 22 des Querschnitts Al und der Achse 19 festgelegt. Die Schaufelkrümmung im Querschnitt Al ist durch die Krümmung de=" Skelett linie des Querschnitte Al bestimmt. Die Querschnittsform ist durch die Umrißlinie 2¹IA gegeben«

3 . j 8 3 7 / 0 U 0 1

Die Schränkung des Schaufelblatts vermindert sich fortschreitend zwischen den Querschnitten Al und Bl, bei welch letzterem die Schränkung durch einen Winkel ß gegeben "ist. Die Änderung der Schränkung ergibt die Verwindung der Schaufel. Die Profilkrümmung des Querschnitts Bl ist größer als die Profilkrümmung des Querschnitts Al und durch die Skelettlinie 23B bestimmt. Die Form des Querschnitts Bl ergibt sich aus der Umrißlinie 2¹IB,

Es ist bisher üblich gewesen, den Querschnitt des Schaftes' wesentlich größer als den radial innersten Querschnitt Bl des Schaufelblatts zu machen und der Schaftquerschnitt hatte nahezu dieselbe parallelogrammartige Form wie der Schaufelfuß, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Gemäß der Erfindung weist der radial äußerste Querschnitt Cl des Schaftes gemäß Fig. k denselben Sehränkungswinkel Al, dieselbe Skelettlinie 23C und dieselbe Profilform 2¹IC wie das ihm zugewandte Schaufelblattende, d.h. der Querschnitt Bl des Schaufelblatts, aus und der Schaft ist so ausgebildet, daß sich die Profilkrümmung fortschreitend verringert, Wie Fig. 4 zeigt, ist die Profilkrümmung des radial innersten Querschnitts Dl des Schaftes Null, d.h. dieser Querschnitt ist mit Bezug auf eine Linie 25 symmetrisch. Die Linie 25 stellt also die Symmetrieachse des Schaufelfußes 15 dar.

Gemäß den Fig. 1 und ¹I weist ein so ausgebildeter Schaft eine Vorderkante 26 und eine Hinterkante 27 auf, die vom

- 7 -309837/0401

Querschnitt Cl aus, wo die Kanten 26 und 27 von der durch die Linien 21 und 25 bestimmten Ebene entfernt liegen, zum Querschnitt Dl verlaufen, wo die Kanten 26 und 27 diese Ebene schneiden. Die Kanten 26 und 27 sind so gekrümmt, daß sie jeweils mit der entsprechenden Vorderkante 28 bzw. Hinterkante 29 des Schaufelblatts eine gemeinsame Tangente aufweisen, so daß ein guter übergang an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaft und damit eine kleinstmögliche Spannungskonzentration erreicht ist.

Die Ähnlichkeit zwischen den Querschnitten Bl und Cl wird durch die Winkel, unter denen die Kanten 28 und 29 auf die Platte 16 auftreffen, und durch die Dicke der Platte 16 beeinflußt. Daraus ergibt sich aus dem vorliegenden

Beispiel, daß der Querschnitt Cl eine geringere Länge und einen kleineren Schränkungswinkel als der Querschnitt Bl aufweist; mit dem Ausdruck "Ähnlichkeit" soll jedoch diesen Unterschieden Rechnung getragen sein.

Im Betrieb, wenn die Schaufel also der Fliehkraft ausgesetzt ist, treten die Scherbeanspruchungen an der Verbindungsstelle zwischen dem Schaft und dem Schaufelfuß auf, d.h. im Querschnitt Dl.

309837/0401

Infolge des Fehlens einer Profilkrüramung im Querschnitts Dl treten also nur die durch die Verwindung der Schaufel selbst verursachten Scherbeanspruchungen auf.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß zum Erreichen eines linienförmigen Übergangs zwischen den Kanten 29 und 27 die Kante 27 ziemlich stark und. mit Bezug auf die Krümmung der Kante 29 entgegengesetzt gekrümmt sein muß, damit die Bedingung erfüllt wird, daß die Kante 27 an ihrem einen Ende mit der Kante 29 eine gemeinsame Tangente habe und mit ihrem anderen Ende auf der Linie 25 liege. Diese starke Krümmung kann nachteilig sein, wenn der Schaft verhältnismäßig kurz und die Verwindung und die Krümmung verhältnismäßig groß sind. Dieser Nachteil kann durch Vermindern der Schränkung des Schaufelfußes vermieden werden, d.h. indem der Schaufelfuß einer mit der Achse 19 fluchtenden Lage näher gebracht wird.

Das Ergebnis einer derartigen Änderung der Schaufelfußschränkung ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt, die eine Schaufel zeigen, bei welcher die Schränkung des Schaufelfußes Null ist, d.h. der Schaufelfuß weist eine mit der Achse 19 (Fig. 6) fluchtende Symmetrieebene auf. Die Krümmungen der Kanten 26 und 27 sind hier einander mehr

309837/0401

angeglichen, wobei die Krümmung der Hinterkante 27 auf Kosten einer zulässig stärker gekrümmten Vorderkante 26 schwächer gekrümmt 1st, Dadurch ergibt sich nicht nur ein besserer Beanspruchungsausgleich im Schaft, sondern es ist auch möglich, die Aussparung 18 der Rotorscheibe parallel zur Achse 19 anzuordnen. Dadurch wird die Herstellung dieser Aussparung 18 vereinfacht und werden die Spannungskonzentrationen vermieden, die bei geschränkten Aussparungen auftreten·

- 10 -

309837/0401

Claims

Patentansprüche:

1. Schaufel für Strömungsmaschinen, mit einem Schaufelblatt, einem Schaft und einem Schaufelfuß, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (14) an seinem vom Schaufelfuß (15) abgewandten Ende (Cl) dieselbe Schränkung (Bl), dieselbe Profilkrümmung (bei 2^C) und dieselbe Profilform aufweist wie das ihm zugewandte Ende (Bl) des Schaufelblatts (13) und daß sich die Profilkrümmung des Schaftes zum Schaufelfuß hin fortschreitend verringert.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilkrümmung des Schaftes (14) an seinem dem Schaufelfuß zugewandten Ende (Dl) gleich Null ist.

3· Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sehne des Schaftes (14) an dessen dem Schaufelfuß (15) zugewandtem Ende (»Dl) parallel zur Symmetrieachse (25) des Schaufelfußes verläuft.

4. Schaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse (25) des Schaufelfußes (15) parallel zur Drehachse (19) des die Schaufel haltenden Rotors verläuft.

- 11 3