DE3530769C2

DE3530769C2 - Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3530769C2
Application number: DE3530769A
Authority: DE
Inventors: John Charles Cox; Stephen Edward Morgan; Martin Hamblett; Alfred Rubini
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2005-08-29
Also published as: GB2164098B; GB2164098A; FR2574114A1; JP2753217B2; DE3530769A1; FR2574114B1; US4714407A; JPS6166801A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf im Querschnitt stromlinienförmige Körper, die allgemein bei Gasturbinentriebwerken oder anderen Strömungsmaschinen benutzt werden. Diese Stromlinienkörper umfassen die Rotorschaufeln und die Statorschaufeln der Turbine oder der Turbinen eines Turbinentriebwerkes. Die Erfindung ist außerdem in abgewandelter Form für Schaufeln eines Axialströmungskompressors anwendbar.

Die Funktion der Turbinenrotorschaufeln besteht darin, Energie aus den heißen, mit hoher Geschwindigkeit strömenden Antriebsgasen mit größtmöglichem Wirkungsgrad abzuziehen, um die Turbine und den zugeordneten Kompressor oder Propeller oder irgendein anderes Energieabsorptionssystem anzutreiben. In gleicher Weise empfangen die Statorschaufeln die Antriebsgase und lenken die Gase mit der erforderlichen Richtung auf die stromabwärtige Rotorschaufelreihe.

Aus Zweckmäßigkeitsgründen soll der Ausdruck "Stromlinienkörper" oder "Strömungskörper" sowohl Rotorschaufeln als auch Statorschaufeln umfassen.

Der Energieaustausch und die Energieübertragung ist mit thermodynamischen, aerodynamischen und mechanischen Verlusten verknüpft. Die aerodynamischen Verluste umfassen Verluste infolge der Sekundärströmungen in den Kanälen zwischen benachbarten Schaufeln.

Sekundärströmungen werden zum Zwecke der Beschreibung dieser Erfindung als jene Strömungen behandelt, deren Geschwindigkeitsvektoren wesentlich von den beabsichtigten Hauptströmungsvektoren des Antriebsgases abweichen. Diese Strömungen können zwischen der Saug- und Druckoberfläche benachbarter Schaufeln in Umfangsrichtung und zwischen den Schaufelfüßen und Schaufelspitzen in Radialrichtung verlaufen und sie werden durch statische Druckdifferentiale in benachbarten Strömungskörperkanälen verursacht.

Die Kanäle, durch die die Antriebsgase strömen, werden durch die Druck- und Saugoberflächen benachbarter Stromlinienkörper und durch einen inneren und einen äußeren Schaufelring begrenzt, die in Umfangsrichtung bzw. Axialrichtung verlaufen. Einige dieser Begrenzungswände können geneigt sein, um einen Kanal konstanter radialer Tiefe oder veränderliche radialer Tiefe zu bilden und diese Charakteristiken sind bekannt als "Ringerweiterung" oder "Geometrische Neigung".

Jeder Stromlinienkörper kann eine eingebaute Verdrillung aufweisen, die vom Schaufelfuß nach der Spitze verläuft und deren Zweck darin besteht, die Gasströmung so zu verteilen, daß eine vorbestimmte Arbeit an den verschiedenen Stellen längs der Spannrichtung geleistet wird.

Die Kombination von Schaufelverdrillung und Ringerweiterung führt allgemein zu einem Kanal komplexer Formen. Die mittlere Stromlinie, die diesem Kanal zugeordnet ist, kann auf irgendeiner allgemeinen Drehoberfläche liegen und nicht auf einer einfachen zylindrischen Oberfläche. Die Querschnittsgestalt dieses Kanales normal zu dieser mittleren Stromlinie kann sich in der Form vom Einlaß nach dem Auslaß ändern.

Die Kombination von Verdrillung und Ringerweiteruung führt zu einem Kanal, der allgemein keinen einfachen konstanten Querschnitt in Axialrichtung und in Umfangsrichtung besitzt, sondern eine Komponente in Radialrichtung aufweist, wobei der Kanal in Richtung der Gasströmung verdrillt ist und sich in seiner Querschnittsgehalt vom Einlaß nach dem Auslaß ändert. Die Strömung kann verbessert werden und die Sekundärströmungen können vermindert werden, indem Sorge dafür getragen wird, daß der Winkel zwischen der Begrenzung und den Wänden der Stromlinienkörper 90° beträgt, wodurch gewährleistet wird, daß die Kraft der Strömungskörper, die normal zu den Wänden der Strömungskörper wirkt, nicht irgendeine Komponente erzeugt, die von der beabsichtigten Hauptströmungsrichtung des Gases divergiert.

Bisher war es üblich, Stromlinienkörper dadurch zu entwerfen, daß Oberflächen über eine Anzahl von Elementarstromlinienkörperabschnitten gelegt wurden, die übereinander gestaffelt um eine radiale Stapelachse angeordnet wurden (DE 31 48 995 A1). Die einzelnen Schnitte wurden u. a. so gestaltet, daß sie den örtlichen aerodynamischen Erfordernissen entsprachen. Die sich hierdurch ergebenden Druck- und Saugoberfläche besitzen gewöhnlich nur eine geringe Krümmung oder Neigung in Radialrichtung und in Axialrichtung. Stromlinienkörper, die auf diese Weise entworfen wurden, arbeiten akzeptabel, aber sie leiden unter Abweichungen von der beabsichtigten Gasströmungsverteilung und erzeugen eine mehr oder minder starke Sekundärströmung, die die Gase von der ausgelegten Hauptströmungsrichtung ablenkt. Daraus ergibt sich ein beträchtlicher und unnötiger Verlust im Wirkungsgrad.

Mit den ansteigenden Brennstoffkosten wird es immer wichtiger, den Wirkungsgrad der Triebwerke zu erhöhen, um den Brennstoffverbrauch zu verringern.

Der Wirkungsgrad kann dadurch verbessert werden, daß die Wirksamkeit der verschiedenen Bauteile des Triebwerks verbessert wird, z. B. der Stromlinienkörper, d. h. der Schaufeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaufel mit verbessertem Einzelwirkungsgrad zu schaffen, bedingt durch bessere Steuerung der Strömungsverteilung und Verminderung bei der Erzeugung von Sekundärströmungen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Demgemäß wird die Form der Kanäle verändert, um eine unerwünschte Rückverteilung der Strömung und der Sekundärströmung zu vermeiden, indem die Schaufeln entsprechend ausgebildet werden, die diese Kanäle definieren.

Die Stromlinienkörperabschnitte können so gestaffelt werden, daß die Hinterrändert in einer Radialebene gestaffelt sind, die die Triebwerksachse enthält. Eine solche Anordnung erzeugt einen Stromlinienkörper mit einem Hinterrand, der wahrscheinlich in Seitenansicht gekrümmt ist, d. h. im Axialsinn und die Druck- und Saugoberflächen sind wahrscheinlich in Frontansicht, d. h. in Radialsinn gekrümmt.

Die Hinterränder der Schnitte können ebenfalls in einer Ebene gestaffelt werden, die normal zur Triebwerksachse verläuft. Diese Anordnung erzeugt einen Stromlinienkörper, der wahrscheinlich einen gekrümmten Hinterrand hat und bei dem örtliche Stromlinien normal zum Hinterrand verlaufen bei einer Betrachtung in Richtung parallel zur Ebene, die die geometrische Einschnürung des Stromlinienkörperkanals enthält. Der Hinterrand wird im Axialsinne gerade mit Ausnahme von Verbindungen mit den Begrenzungswänden und die Druck- und Saugoberflächen werden wahrscheinlich im radialen Sinn gekrümmt.

Die Hinterrandschnitte können ebenfalls in irgendeiner Ebene gestaffelt sein, die zwischen den Ebenen liegt, welche die Triebwerksachse und die Ebene normal zur Triebwerksachse umfassen. Diese Anordnung erzeugt ebenfalls wahrscheinlich einen Stromlinienkörper, dessen Hinterrand normal zu den örtlichen Stromlinien in einer Richtung normal oder fast normal zu der Oberfläche des Stromlinienkörpers am Hinterrand verläuft.

Demgemäß schafft die Erfindung im breitesten Sinne einen Stromlinienkörper für ein Gasturbinentriebwerk, der ein aerodynamisches Profil besitzt, das durch eine Anzahl elementarer Stromlinienkörperschnitte definiert ist, die relativ zueinander gestaffelt sind, wobei die Hinterränder der elementaren Stromlinienschnitte so angeordnet sind, daß sie die Hinterkante des Stromlinienkörpers definieren und diese Hinterkante bildet eine Begrenzung der geometrischen Einschnürung zwischen benachbarten Strömungskörpern bei einer Reihe von solchen Strömungskörpern, wobei die örtlichen Stromlinien der Gasströmung durch die Einschnürung normal zum Hinterrand des Stromlinienkörpers am Schnittpunkt verlaufen.

Die Hinterkanten der elementaren Stromlinienkörperschnitte können in einer Radialebene gestaffelt werden, die die Längsachse des Triebwerks umfaßt oder in einer Ebene normal zur Triebwerkslängsachse oder in einer Ebene, die zwischen der Ebene liegt, die die Triebwerkslängsachse umfaßt und einer Ebene, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft.

Je nach der Art der Staffelung der Hinterkanten der elementaren Stromlinienkörperschnitte werden wahrscheinlich die Hinterkanten in axialer Richtung oder in radialer Richtung oder sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung gekrümmt.

Es ist möglich, daß nicht nur die lokalen Stromlinien normal zur Hinterkante verlaufen, wie dies oben definiert wurde, sondern auch die örtlichen Stromebenen in einer Umdrehungsoberfläche, die die betrachteten Stromlinien enthält.

Zusätzlich kann die Vorderkante des Stromlinienkörpers in Axialrichtung oder in Radialrichtung gekrümmt sein.

Die Erfindung kann für statische und drehbare Strömungskörper Anwendung finden und ist insbesondere anwendbar für Turbinendüsenleitschaufeln, Turbinenrotorschaufeln und Turbinenstatorschaufeln. Im Falle der Anwendung bei Turbinenrotorschaufeln wird das Ausmaß der Krümmung sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung oder in beiden Richtungen begrenzt im Vergleich zu Statorschaufeln, und zwar wegen der auftretenden Schaufelbelastungen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Eine schematische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks bei dem die Erfindung Anwendung finden kann.

Fig. 2 Die Grundform vorliegender Erfindung in der Anwendung auf eine Düsenleitschaufel.

Fig. 3 Eine schematische Seitenansicht einer Turbine mit einer Ausführungsform eines stromlinienförmigen Körpers gemäß der Erfindung.

Fig. 4, 5, 6 Schematische Darstellungen, die die Zeichendefinition und Nomenklatur erkennen lassen, die in Verbindung mit Stromlinienkörpern gemäß der Erfindung benutzt werden.

Fig. 7, 8, 9 Eine Seitenansicht bzw. eine Vorderansicht eines der stromlinienförmigen Körper gemäß Fig. 3.

Fig. 10A Eine Grundrißansicht von drei Elementarstromlinienkörperschnitten eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 10B Eine Rückansicht des stromlinienförmigen Körpers gemäß Fig. 10A.

Fig. 10C Eine Ansicht des Stromlinienkörpers gemäß Fig. 10A, betrachtet längs einer Linie parallel zu der Einschnürung, die zwischen zwei benachbarten Stromlinienkörpern ausgebildet ist.

Fig. 10D Eine Seitenansicht des Stromlinienkörpers gemäß Fig. 10A.

Fig. 10E Eine Ansicht normal zur Einschnürung zwischen benachbarten stromlinienförmigen Körpern, von denen einer in Fig. 10A dargestellt ist.

Fig. 11A-11E Den Ansichten 10A-10E ähnliche Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 12A-12E Den Ansichten 10A-10E entsprechende Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Stromlinienkörpers gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Gasturbinentriebwerk 10 mit einem von einer Niederdruckturbine 14 über eine welle 16 angetriebenen Gebläse 12, mit einem durch eine Zwischendruckturbine 20 über eine Welle 22 angetriebenen Mitteldruckkompressor 18 und mit einem Hochdruckkompressor 24, der über eine Welle 28 durch eine Hochdruckturbine 26 angetrieben wird. In einer Verbrennungseinrichtung 30 wird Brennstoff mit der vom Hochdruckkompressor gelieferten Luft verbrannt, um die Antriebsgase für die Turbinen 26, 20 und 14 zu erzeugen.

Die heißen Gase strömen zwischen den Auslaßleitschaufeln 31 hindurch und werden über eine Düse 32 ausgestoßen, die einen Teil der Schubkraft liefert. Die größere Schubkraft wird durch die große Masse der sich relativ langsam bewegenden Luft geliefert, die aus einer Gebläsedüse 34 ausgestoßen wird.

Um eine Fehlverteilung der Gasströmungen und der Sekundärströmungen in bezug auf die Lauf- und Leitschaufeln der Turbinen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, daß die Begrenzungswände und die Oberflächen der Stromlinienkörper normal zueinander verlaufen und daß die Hinterräder der Stromlinienkörper im Raum richtig orientiert sind, um zwei spezielle Erfordernisse zu erfüllen.

Erstens sollte zur Optimierung des Verfahrens der Durchtritt zwischen benachbarten Stromlinienkörpern normalerweise nicht konvergent-divergent verlaufen, d. h. die geometrischen Orthogonalen an der Einschnürung in Spannrichtung sollten den Hinterrand schneiden, wobei eine Orthogonale als eine Linie definiert ist, die normal zu der mittleren Strömungslinie verläuft, die im wesentlichen in der Strömungsebene liegt.

Zweitens sollten die Elementarschnitte der Stromlinienkörper so gestaffelt sein, da die sich ergebende geometrische Einschnürungsfläche zwischen den Stromlinienkörpern so im Raum orientiert ist, daß die Stromlinien die Einschnürung in der gewünschten Richtung verlassen.

Wenn diese beiden Bedingungen bei Turbinen-Strömungskörpern erfüllt sind, welche die Bedingung definieren, die als "Hinterrand-Orthogonalität" bekannt ist, folgt, daß der Hinterrand des Strömungskörpers eine Seite des geometrischen Einschnürungsfensters begrenzt.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen die Zeichendefinition der Strömung und die Richtungen des Hinterrandes des Stromlinienkörpers in der X-Y, Z-Y und X-Z Ebene. Damit jedes Element des Hinterrandes einen Rand des geometrischen Einschnürungsfensters bildet und normal zu dem örtlichen Stromliniensektor steht, muß die Stromlinienorthogonalitätsbedingung erfüllt sein, so daß

tanR + tanλ = tanαp · tanΦ (1)

Dabei ist
R: der örtliche axiale Neigungswinkel des Hinterrandes,
Φ: örtlicher tangentialer Neigungswinkel des Hinterrandes,
λ: örtlicher Radialwinkel der Gasströmung,
αp: örtlicher Wirbelwinkel in der Ebene der Gasströmung.

Um weiterhin die Sekundärströmungen zu begrenzen, ist es notwendig, die radialen Druckgradienten zu steuern, die auf die Strömung in dem Kanal einwirken. Zu diesem Zweck sollten die Oberflächen der Stromlinienkörper im Raum so orientiert sein, daß sie normal zu dem voraussichtlichen örtlichen Stromplan im Kanal stehen. Infolgedessen muß die zusätzliche Strömungsorthogonalitätsbedingung am Hinterrand erfüllt sein, d. h.

R = -λ (2)

wobei die Gleichungen (1) und (2) kombiniert werden und Φ=0.

Dann können Elemente des geometrischen Einschnürungsfensters, die in einer Ebene entwickelt und betrachtet werden, als im wesentlichen rechteckig in ihrer Form beschrieben werden.

Ähnliche Bedingungen gelten für andere Kanalquerschnitte, die so rechteckig als möglich sein sollten. So muß bei einem annähernd rechteckigen Kanal am Vorderrand des Stromlinienkörpers dieser Vorderrand eine tangentiale Steigung von Null haben und eine axiale Neigung von entgegengesetztem Vorzeichen zur örtlichen Stromlinie.

Stationäre Stromlinienkörper, die als Düsenleitschaufeln oder Statorschaufeln bekannt sind, werden gewöhnlich am Hinterrand gestaffelt und können so gestaffelt werden, daß die Orthogonalitätsbedingungen am Hinterrand erfüllt werden. Es ist schwieriger aber nicht notwendigerweise unmöglich, diese Bedingungen für Stromlinienkörper zu erfüllen, die sich drehen und als Rotorschaufeln bekannt sind. Diese Schaufeln sind im allgemeinen über den Flächenschwerpunkt oder eine benachbarte Radiallinie gestaffelt, um die Zentrifugalbelastungen und Gasbelastungen auszugleichen.

Die Staffelung der elementaren Stromlinienkörperschnitte ist so getroffen, daß nicht nur die Hinterrandorthogonalitätsbedingung und/oder die Rechteckkanalbedingung erfüllt wird, sondern auch eine oder mehrere der folgenden Bedingungen:

a) die Anordnung eines inneren Kühlrohres und andere Kühlmerkmale,
b) die Notwendigkeit einer Anpassung an die Belastung des Lageraufbaues vorzunehmen und eine Wartung über die Schaufeln durchführen zu können,
c) Herstellungserfordernisse,
d) Beanspruchungserfordernisse,
e) Vibrationserfordernisse.

Die Hinterrandorthogonalität (Gleichung (1) und (2)) sollte vorzugsweise für jede elementare Einschnürungsfensterfläche erfüllt sein, was oft dazu führt, daß die Hinterräder gekrümmt sind, wie schematisch in Fig. 3 angedeutet. In diesem Falle haben sowohl die Statorstromlinienkörper als auch die Rotorstromlinienkörper 36 bzw. 38 gekrümmte Vorder- und Hinterränder und das Einschnürungsfenster zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Stromlinienkörpern ist im wesentlichen rechteckig.

Die stromlinienförmigen Körper von Stator und Rotor bilden einen Teil der Turbine eines Gasturbinentriebwerks 10. Eine äußere ringförmige Begrenzungswand 40, eine innere ringförmige Begrenzungswand 42 definieren einen ringförmigen Strömungskanal 44 für den Durchfluß der Antriebsgase. Die Linien S₁, S₂ usw. sind sämtlich Stromlinien, die auf in Umfangsrichtung axial verlaufenden Stromebenen liegen.

Die Stromlinien schneiden sämtlich die Hinterränder von Stator- und Rotorstromlinienkörpern 36, 38 unter einem Winkel von 90° oder etwa 90°, in wesentlichen über die gesamte Bogenseite der Stromlinienkörper. Die Vorderränder der Stromlinienkörper sind ebenfalls in ähnlicher Weise wie die Hinterränder gekrümmt und dies ist zweckmäßig, aber nicht wesentlich. Wenn die Stromlinien keine geeignete Radialkomponente aufweisen, kann es möglich sein, daß die Stromlinienkörper nur einen geraden Hinterrand aufweisen, der axial derart angestellt ist, daß die mittlere Strömungslinie normal zum Hinterrand verläuft. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt, wo eine Düsenleitschaufel 35 einen geraden Hinterrand aufweist, der so geneigt ist, daß er normal zur mittleren Stromlinie verläuft. Das geometrische Einschnürungsfenster zwischen benachbarten Schaufeln 35 ist etwa rechteckig. Wenn die Erfindung nicht bei einer Turbinenanordnung angewendet wird, die einen beträchtlichen Neigungswinkel besitzt und bei der die Stromlinien beträchtliche radiale Strömungskomponenten aufweisen, dann wird vermutet, daß ein Leistungsverlust eintreten könnte.

Z. B. soll eine Anordnung betrachtet werden, die einen Stromlinienkörper umfaßt, der gerade Vorder- und Hinterränder besitzt, die beide auf rein radialen Linien liegen, wobei dieser Körper zwischen ringförmigen Begrenzungswänden liegt. Die Innenwand divergiert mit einer größeren Rate als die Außenwand und die Stromlinien, die näher zur Innenwand liegen, divergieren mehr von der normalen nach dem Hinterrand als jene, die der Außenwand näher liegen.

Die Auswirkungen einer solchen Anordnung können zu zwei schädlichen Bedingungen führen, die entweder getrennt oder zusammen auftreten. Eine stromaufwärtige Einschnürung könnte ausgebildet werden, die anzeigt, daß der Hinterrand nicht mehr einen Rand des Einschnürungsfensters definiert und daß sinngemäß der Stromrohrkanal eine Konvergent-Divergent-Form angenommen hat. Dies wird wahrscheinlich zu einem Wirkungsgradverlust führen.

Die Gasströmung kann die Stromlinienkörper nicht mit der beabsichtigten Stromlinienrichtung verlassen und dies könnte zu einer Strömungstrennung und einer Strömungsstörung führen, was wiederum zu einem Leistungsverlust führt.

Die Stromliniendarstellung nach Fig. 3 veranschaulicht die Erfindung in allgemeiner Form, wodurch die folgende Gleichung erfüllt wird:

tanR + tanλ = tanαp · tanΦ

für alle Elemente des Hinterrandes und alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung genügen dieser Gleichung.

Die Fig. 7-10 einschließlich zeigen im einzelnen spezielle Beispiele von Schaufeln gemäß der Erfindung. Insbesondere Fig. 10, 11 und 12 zeigen drei unterschiedliche Verfahren der Staffelung der Schaufelstromlinienkörperelemente.

Fig. 7, 8 und 9 zeigen drei Ansichten der am weitesten stromauf angeordneten Statorschaufel 36 gemäß Fig. 3.

Fig. 7 zeigt, daß die Vorder- und Hinterränder beide im axialen Sinne gekrümmt sind, während Fig. 8 zeigt, daß der Hinterrand über einen beträchtlichen Teil seiner Länge gerade verläuft. Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schaufel, die die komplexe Gestalt veranschaulicht und eine Anzahl von elementaren Stromlinienkörperschnitten 36a erkennen läßt, die so gestaffelt sind, daß sie die Umhüllung der Schaufel definieren. Das Verfahren der Staffelung ist im einzelnen in den Fig. 10A bis 10E dargestellt.

In Fig. 10A sind drei Schnitte der Schaufel 36 dargestellt, wobei ihre Hinterränder in einer Ebene gestaffelt sind, die durch die Drehachse des Triebwerk hindurchgeht, so daß, wie aus Fig. 10B ersichtlich, der Hinterrand eine gerade radial verlaufende Linie darstellt, wenn man in Richtung längs der Triebwerksachse blickt. Die dargestellten Schaufelschnitte sind jene am Schaufelfuß, in der Mittelhöhe der Schaufel und an der Schaufelspitze. Diese Schnitte und die dazwischenliegenden Schnitte sind so gestaffelt, daß der Hinterrand eine Kurve bildet, wie dies aus Fig. 10C ersichtlich ist (dies ist eine Ansicht parallel zu der Einschnürung zwischen benachbarten Schaufeln). Die Linien S₁ bis S₉ stellen örtliche Stromlinien der Gasströmung dar und es ergibt sich, daß diese Stromlinien sämtlich normal zu dem Hinterrand am Schnittpunkt verlaufen.

Die örtlichen Stromlinien schneiden auch den Hinterrand in Normalrichtung, wenn die Schaufel in Seitenansicht gemäß Fig. 10D betrachtet wird.

Fig. 10E ist eine Ansicht des Einschnürungsfensters zwischen benachbarten Schaufeln, bei welchen der Hinterrand eine Seite der Einschnürung begrenzt und die Linien Sp1 bis Sp9 die Stromebenen darstellen. Bei dieser Anordnung verlaufen die Stromebenen ebenfalls normal zum Hinterrand, so daß beide Bedingungen für eine vollständige Hinterrandorthogonalität erfüllt sind (Gleichung (1) und (2)).

Bei dieser Ausbildung ist für jedes Element der Hinterkante die tangentiale Neigung Φ gleich Null. Auch die axiale Neigung Φ hat einen von Null abweichenden Wert, da beide Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind.

Im Gegensatz dazu ist die Staffelanordnung gemäß Fig. 11A bis 11D derart, daß ein Wert einer tangentialen Neigung Φ vorhanden ist, obgleich keine axiale Neitung besteht (R=0).

Die Hinterränder der Schaufelschnitte sind längs einer Linie gestaffelt, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft. Wenn die Schaufel parallel zu der Einschnürung zwischen den Schaufeln gemäß Fig. 11C betrachtet wird, dann verlaufen die örtlichen Stromlinien normal an ihren Schnittpunkten mit dem Hinterrand, weil Φ so gewählt ist, daß die Gleichung (1) erfüllt ist:
wobei

R = 0.

Da jedoch

R ≠ -λ

stehen die Stromlinien nicht normal zum Hinterrand an ihren Schnittpunkten, wie in Fig. 11D dargestellt, und die Stromebenen sind nicht normal zum Hinterrand in der Ebene der Einschnürung (Fig. 11E). Demgemäß wird eine Strömungsebene-Nachlaufrandorthogonalität nicht erreicht, wenn diese Art der Staffelung Anwendung findet.

Die elementaren Stromlinienkörperschnitte können außerdem so gestaffelt sein, daß die sich ergebende Schaufel eine axial Neigung und eine radiale Neigung besitzt, so daß sowohl R als auch Φ definierte, von Null abweichende Werte besitzen und eine derartige Anordnung ist in den Fig. 12A bis 12E dargestellt. Die Hinterränder der Stromlinienkörperschnitte sind in einer Ebene gestaffelt, die zwischen jener Ebene, die die Triebwerksachse enthält und einer Ebene senkrecht zur Triebwerksachse liegt.

Die Winkel R und Φ sind für jeden Elementarabschnitt so gewählt, daß die Gleichung (1) erfüllt wird, so daß die Stromlinien S₁ bis S₉ auch normal zum Hinterrand an ihren Schnittpunkten (Fig. 12C) verlaufen.

Da R ≠ 0, schneiden die Stromlinien den Hinterrand nicht mehr unter 90°, wenn die Schaufel in Seitenansicht (Fig. 12D) betrachtet wird und die Stromebenen sind nicht normal zum Hinterrand in der Ebene der Einschnürung (Fig. 12E).

Demgemäß ist wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel die Stromebenen-Hinterrandorthogonalität nicht mehr erfüllt. Weil jedoch die Stromlinien weiterhin den Hinterrand unter einem Winkel von 90° schneiden, wird angenommen, daß eine gewisse Verminderung der Sekundärströmungen erzielt wird und eine gewisse Verbesserung in der Strömungsverteilung und eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer Komponente relativ zu einer Schaufelreihe.

Die Vorderränder der Stromlinienkörper gemäß Fig. 10^D, 11^D und 12^D, die nicht Gegenstand der Erfindung sind, können gekrümmt (Fig. 10^D) oder gerade oder im wesentlichen gerade sein (Fig. 11^D, 12^D), um eine gewisse Orthogonalität am Vorderrand zu erreichen und/oder an dazwischenliegenden Stellen zwischen Vorder- und Hinterrand.

Das Prinzip der Orthogonalität kann über einen Teil der Spannrichtung des Stromlinienkörpers am Hinterrand oder am Vorderrand angewandt werden, um eine gewisse örtliche Verbesserung zu erzielen. So kann ein Teil des Hinterrandes des Strömungskörpers gekrümmt sein, um entweder beide oder eine der Orthogonalitätsgleichungen zu erfüllen, während der übrige Teil oder die übrigen Teile in einer geraden Linie oder in irgendeiner anderen Gestalt verlaufen können. Bei einem derartigen Stromlinienkörper ist die Orthogonalität etwas verletzt. Beispielsweise hat der Strömungskörper in Fig. 2 einen geraden Hinterrand, zu dem nur die mittlere Stromlinie normal zum Hinterrand am Schnittpunkt verläuft. Diese Anordnung hat sich jedoch als eine Verbesserung erwiesen.

Die Erfindung kann sowohl für Düsenleitschaufeln des Stators als auch für Rotorschaufeln Anwendung finden.

Claims

1. Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Anzahl elementarer, relativ zueinander gestaffelter Strömungskörperabschnitte, die ein Profil bilden und den Hinterrand der Schaufel definieren, wobei der Hinterrand der Schaufel zwischen benachbarten Schaufeln ein geometrisches Fenster bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Stromlinien der Gasströmung durch das geometrische Fenster senkrecht zum Hinterrand der Schaufel verlaufen.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den elementaren Strömungskörperabschnitten in einer Radialebene gestaffelt sind, die die Längsachse des Gasturbinentriebwerks umfaßt und daß der Schaufelhinterrand geradlinig in einer Ebene normal zu jener Ebene verläuft, die die Triebwerkslängsachse enthält.

3. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hinterrand der Schaufel in Spannrichtung in einer Ebene gekrümmt ist, die die Längsachse des Triebwerks enthält.

4. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der das geometrische Fenster enthaltenden Ebene die konkave Druckseite und die konvexe Saugseite der Schaufel in Spannrichtung gekrümmt sind.

5. Schaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromebenen in der Ebene des geometrischen Fensters betrachtet normal zu jedem Element des Hinterrandes der Schaufel an ihren Schnittpunkten mit dem Hinterrand verlaufen.

6. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den elementaren Strömungskörperabschnitten der Schaufel in einer Ebene zur Triebwerkslängsachse gestaffelt sind und daß der Hinterrand der Schaufel im wesentlichen in einer geraden Linie verläuft, betrachtet in einer Ebene normal zur Triebwerkslängsachse.

7. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Hinterrandes zwischen den elementaren Strömungskörperabschnitten der Schaufel in jeder Ebene gestaffelt sind, die zwischen einer Ebene, die die Triebwerkslängsachse enthält und einer Ebene liegt, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft.

8. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hinterrand der Schaufel sowohl in einer Ebene, die die Triebwerkslängsachse enthält als auch in einer Ebene, die normal zur Triebwerkslängsachse verläuft, gekrümmt ist.

9. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorderrand der Schaufel eine im wesentlichen gerade radial verlaufende Linie bildet.

10. Schaufel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorderrand der Schaufel relativ zu zwei Ebenen gekrümmt ist, die senkrecht aufeinander stehen, wobei eine dieser Ebenen die Längsachse des Triebwerkes enthält und daß der Vorderrand normal zur einfließenden Strömung steht.

11. Schaufel nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterrandelemente im Raum gemäß der folgenden Beziehung angeordnet sind: tanR + tanλ = tanαp · tanΦ,wobei
R der lokale axiale Neigungswinkel des Hinterrandes,
Φ der lokale tangentiale Neigungswinkel des Hinterrandes,
λ der lokale radiale Winkel der Gasströmung und
αp der örtliche Wirbelwinkel in der Ebene der Gasströmung
ist.

12. Schaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß R = -λist.

13. Schaufel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrische Einschnürungsfenster zwischen benachbarten Stromlinienkörpern etwa rechteckig ist, wenn R = -λ,undΦ = 0.

14. Gasturbinentriebwerk mit Schaufeln nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, da die Schaufeln in Umfangsrichtung axiale Wände einer Mehrzahl von Gasströmungskanälen definieren, wobei die verbleibenden inneren und äußeren Wände der Kanäle entweder durch drehsymmetrische Oberflächen oder durch asymmetrische Oberflächen definiert sind, die einen nicht-zylindrischen Ring ergeben.

15. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln Turbinenrotorschaufeln sind.

16. Gasturbinentriebwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln Turbinenstatorschaufeln oder Düsenleitschaufeln sind.