HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Gebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Lauf(rad)schaufel für Axialströmungsmaschinen zur Energieabgabe an
ein Fluid oder zur Energiebeaufschlagung durch ein
Fluid, wie Axialstromgebläse, -verdichter, -pumpen,
-gasturbinen usw. (in der folgenden Beschreibung und in
den Ansprüchen sind diese Maschinen allgemein als
"Axialströmungsmaschinen" bezeichnet).
Beschreibung des Stands der Technik:
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Im folgenden ist zunächst eine Ausgestaltung einer
Laufschaufel einer Axialströmungsmaschine nach dem
Stand der Technik anhand von Fig. 6 beschrieben. Die
Anordnung nach Fig. 6(a) umfaßt einen Schaufelkörper 1
einer Laufschaufel, eine Plattform 2 (Flanschteil) und
ein Schraub- bzw. Gewindeteil 3; der Laufschaufelkörper
1 ist dabei mittels der Plattform 2 und des
Schraubteils 3 sicher an einer nicht dargestellten Nabe
befestigt. Anstelle des Schraubteils 3 kann eine
Befestigungsmethode mittels einer Schwalbenschwanzanordnung
angewandt werden. Die jeweiligen Querschnittsprofile
längs Schnittlinien A - F senkrecht zur Radialrichtung
der Nabe des Schaufelkörpers 1 sind in Fig. 6(c)
dargestellt; die in dieser Figur mit 5 bezeichneten Punkte
sind Figuren- oder Formzentren (centers of figure) der
jeweiligen Querschnittsprofile. Ferner sind mit dem
Symbol
Y die Richtung einer Luftströmung und mit dem
Symbol R die Drehrichtung des Schaufelkörpers 1
bezeichnet.
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Beim Schaufelkörper 1 einer Laufschaufel nach dem Stand
der Technik sind die Figuren- oder Formzentren 5 der
jeweiligen Querschnittsprofile auf der gleichen Geraden
ausgerichtet; die Ziffer 6 bezeichnet einen
Flächenschwerpunkt, der eine Gerade bildet und auf die
Radialrichtung der Nabe ausgerichtet ist. Der Grund, weshalb
die jeweiligen Formzentren 5 auf die gleiche
Radialrichtung der Nabe ausgerichtet sind, besteht darin, zu
verhindern, daß durch die auf die Laufschaufel einwirkende
Zentrifugalkraft keine unnötige Belastung oder
Beanspruchung erzeugt wird; wenn die Formzentren 5 nicht
auf eine Gerade ausgerichtet wären bzw. damit fluchten
würden, würde durch die Zentrifugalkraft ein in von der
Radialrichtung verschiedenen Richtungen gerichtetes
(Kraft-)Moment erzeugt werden, wobei eine
Biegebelastung auf die Laufschaufel wirken würde. Wenn dagegen
die Formzentren 5 auf einem gemeinsamen Radius der Nabe
ausgefluchtet sind, müßte theoretisch nur eine
Zugbelastung auf die Laufschaufel wirken. (Es ist darauf
hinzuweisen, daß in der Praxis auch eine durch
verdichtetes Gas verursachte Biegebelastung sowie eine durch
Torsion der jeweiligen Querschnittsprofile bedingte
Torsionsbelastung (bzw. die daraus resultierenden Biege-
und Torsionsspannungen) auftreten). Die Ausgestaltung
der Laufschaufel nach dem Stand der Technik war somit
nur unter dem Gesichtspunkt mechanischer Festigkeit
bestimmt.
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Wie erwähnt, wurde bei einer herkömmlichen Laufschaufel
z.B. eines Axialstromverdichters eine Ausgestaltung
(oder Struktur) einer Laufschaufel nur unter dem
Gesichtspunkt mechanischer Festigkeit bestimmt, wobei
dafür gesorgt wurde, daß die Formzentren 5 der
Querschnittsprofile
des Schaufelkörpers 1 auf einem
gleichen Radius der Nabe ausgefluchtet sein konnten. Am
Spitzenendabschnitt des Schaufelkörpers 1, d.h. in dem
der Innenfläche eines Gehäuses am nächsten gelegenen
Bereich, bilden sich jedoch turbulente, komplizierte
Strömungen als Folge der durch Zentrifugalkräfte
bedingten Drift einer Grenzschicht längs der Innenfläche des
Gehäuses und einer Grenzschicht längs der
Schaufeloberfläche oder durch Auftreten von Sekundärströmungen
zwischen den jeweiligen Schaufelkörpern aus, so daß ein
Fluid einer niedrigen Energie zu einem Stagnieren
neigen kann und damit die Wirkung des Schaufelkörpers 1
verschlechtert wird; ein Druckverlust der Strömung in
diesem Bereich ist größer als derjenige der Strömung am
bzw. im zentralen Bereich des Schaufelkörpers 1
(Hauptströmung). Infolgedessen wird der Wirkungsgrad der
Laufschaufel herabgesetzt.
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Aus der GB-A-2 151 310 ist eine
Gasturbinentriebwerkschaufel bekannt, bei welcher eine Vorderkante des
Spitzenendteils eines Schaufelkörpers nach vorn geneigt
ist und aufgrund einer nichtlinearen Stapel- oder
Höhenachse in der Drehrichtung voreilt. Diese herkömmliche
Anordnung ist gewählt worden, um eine Druckkomponente
der Biegebelastung bzw. -Spannung an den Hinter- und
Vorderkanten infolge von Zentrifugalkräften bei der
Drehung bereitzustellen.
ABRISS DER ERFINDUNG:
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Eine Aufgabe dieser Erfindung ist damit die Schaffung
einer verbesserten Laufschaufel für
Axialströmungsmaschinen, bei welcher die geschilderten Probleme bei der
herkömmlichen Laufschaufel gelöst sind.
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Eine spezifischere Aufgabe dieser Erfindung ist die
Schaffung einer Laufschaufel für
Axialströmungsmaschinen, bei welcher ein großer Druckabfall am
Spitzenendteil eines Schaufelkörpers reduziert und damit ein(e)
Wirkungsgrad oder Wirksamkeit der Laufschaufel
verbessert ist.
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Gemäß einem Merkmal dieser Erfindung ist deren
Gegenstand eine Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen mit
den Merkmalen nach dem Anspruch 1. Bevorzugte
Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Um bei der erfindungsgemäßen Laufschaufel für
Axialströmungsmaschinen einen großen Druckabfall insbesondere am
Spitzenendteil eines Schaufelelements (-körpers) zu
reduzieren und einen Wirkungsgrad der Laufschaufel zu
verbessern, wurde die Konfiguration des Spitzenendteils
des Schaufelelements experimentell ermittelt; dazu wird
die Vorderkante des Spitzenendteils des
Schaufelelements zur Stromaufseite hin nach vorn geneigt oder
gekippt und auch in der Drehrichtung voreilend
ausgebildet, so daß die Konfiguration der Vorderkante des
Spitzenendteils des Schaufelelements bzw. -körpers
innerhalb des im Anspruch 1 spezifizierten Bereichs liegen
kann; demzufolge kann Fluid niedriger Energie, das am
Spitzenendteil des Schaufelkörpers stagnieren kann, zu
einer Strömung zur Stromabseite gezwungen werden,
ohne am Spitzenendteil zu stagnieren.
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Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile dieser Erfindung ergeben sich deutlicher aus der
folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1(a) eine Seitenansicht einer Laufschaufel eines
Axialstromverdichters gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform dieser Erfindung,
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Fig. 1(b) eine Draufsicht auf dieselbe,
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Fig. 1(c) Querschnittansichten derselben in sechs
verschiedenen Positionen,
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Fig. 2(a) eine schematische Darstellung derselben,
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Fig. 2(b) eine schematische Darstellung einer
Laufschaufel bei einem Axialstromverdichter nach
dem Stand der Technik,
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Fig. 3 eine diagrammartige Darstellung von
Laufschaufeln bei Axialstromverdichtern gemäß der
genannten bevorzugten Ausführungsform und
nach dem Stand der Technik,
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Fig. 4 ein Diagramm des Bereichs eines Winkels S der
Schrägungsrichtung und einer effektiven
Schrägungsgröße θseff bei einer Laufschaufel
für einen Axialstromverdichter nach der
genannten bevorzugten Ausführungsform,
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Fig. 5 (eine) Seitenansicht(en) von Laufschaufeln
bei Axialstromverdichtern gemäß anderen
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
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Fig. 6(a) eine Seitenansicht einer
Axialstromverdichter-Laufschaufel nach dem Stand der Technik,
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Fig. 6(b) eine Draufsicht auf dieselbe und
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Fig. 6(c) eine Querschnittansicht derselben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform dieser
Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Gemäß
Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Axialstromverdichter-
Laufschaufel so konstruiert, daß Fluid niedriger
Energie, das am Spitzenendteil eines Schaufelkörpers 11
stagnieren kann, zur Verbesserung eines Wirkungsgrads
der Laufschaufel zu einer Strömung zur Stromabseite
gezwungen werden kann, indem ein hoher Druckverlust
speziell am Spitzenendteil des Schaufelkörpers 11
reduziert wird; gemäß dieser Figur ist die Vorderkante des
Spitzenendteils des Schaufelkörpers 11 mit einer
solchen Konfiguration ausgebildet, daß die Vorderkante
vorwärts in der Richtung einer Hauptachse des
Axialstromverdichters, d.h. vorwärts zur Stromaufseite einer
Luftströmung Y geneigt oder gekippt und außerdem in der
Drehrichtung R des Schaufelkörpers 11 voreilend
ausgelegt ist. Die Anordnung nach Fig. 1(a) umfaßt speziell
eine Plattform 2 (ein Flanschteil) des Schaufelkörpers
11 und ein Schraub- bzw. Gewindeteil 3 zum Befestigen
des Schaufelkörpers an einer Rotorwelle. Gemäß den Fig.
1(b) und 1(c) ragt ferner das Spitzenendteil des
Schaufelkörpers 11 unter allmählicher Abbiegung vom
Mittelteil nach vorn. Obgleich auch ein unteres Teil des
Schaufelkörpers 11 nach vorn ragt, ist darauf
hinzuweisen, daß dies zum Zweck des Ausgleichens von
Momenten von Zentrifugalkräften um eine Schaufelachse X-X an
den jeweiligen Querschnittsprofilen des
Schaufelkörpers, nicht aber zum Zweck der Verbesserung speziell
eines Wirkungsgrads dieser Laufschaufel vorgesehen ist.
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In Fig. 2, die eine schematische Darstellung der
Laufschaufel ist, stehen die Bezugsziffer 1 für einen
Schaufelkörper einer Laufschaufel nach dem Stand der
Technik, die Ziffern 21 und 24 für Linien gleichen Drucks
eines statischen Drucks bzw. Staudrucks an der
Schaufeloberfläche, gestrichelte Pfeile für die
Anstiegsrichtung des Staudrucks und ausgezogene Pfeile für die
Richtung der Verdrängung einer an der
Schaufeloberfläche anliegenden Grenzschicht in Auswärtsrichtung zur
Außenseite in Radialrichtung hin. Obgleich die
Grenzschicht in der Radialrichtung nach außen zur Außenseite
hin verdrängt oder verschoben wird, verlaufen bei der
bisherigen Laufschaufel nach Fig. 2(b) die Linien 21
gleichen Drucks nahezu in der Radialrichtung, so daß
die Verschiebung der Sekundärströmung der
herausgedrängten (pushed out) Grenzschicht nicht verhindert wird;
demzufolge ist die Sekundärströmung zum Spitzenendteil
des Schaufelkörpers 1 gerichtet, so daß sich die
Grenzschicht dort ansammeln kann. Bei der Laufschaufel gemäß
der Erfindung dagegen eilt das Spitzenendteil des
Schaufelkörpers 11 vor(aus), und die Linien 24 gleichen
Drucks besitzen eine Verteilung, die in Richtung auf
das Spitzenendteil des Schaufelkörpers 11 geneigt ist.
Das Verdrängen der Sekundärströmung der an der
Schaufeloberfläche haftenden oder anliegenden Grenzschicht
durch Zentrifugalkräfte wird somit durch den Staudruck
verhindert, der zur Außenseite hin in der
Radialrichtung zunimmt, und sie ist somit zur Stromabseite
gerichtet, so daß Fluid niedriger Energie nicht am
Spitzenendteil des Schaufelkörpers 11 stagniert, sondern zur
Stromabseite verdrängt wird. Hierdurch können ein
Betriebszustand am Spitzenendteil des Schaufelkörpers
11 verbessert und ein Wirkungsgrad der Laufschaufel
erhöht werden.
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Fig. 3 ist eine diagrammartige Darstellung einer
Laufschaufel, in welcher ein breiter weißer Pfeil eine
Drehrichtung einer Laufschaufel angibt. Die Bezugsziffer 33
bezeichnet die Position der Spitzenendfläche dieser
Laufschaufel, die in Draufsicht dargestellt ist. Die
Spitzenendfläche 33 dieser Laufschaufel ist gegenüber
einer Spitzenendfläche 32 einer herkömmlichen
Laufschaufel in der Richtung der Hauptachse des
Axialstromverdichters sowie in der Drehrichtung versetzt
oder verschoben, und die Richtung der resultierenden
Verschiebung ist unter einem Winkel S gegenüber der
Richtung der Hauptachse geneigt. Diese Richtung der
resultierenden Verschiebung ist die Schrägungsrichtung;
der Winkel S ist zwischen der Richtung der
resultierenden Verschiebung und der Voreilrichtung des
Spitzenendteils des Schaufelelements 11 gebildet; die Ziffer 34
bezeichnet eine Schrägungsrichtungslinie. Eine
Schrägungsbezugsfläche bedeutet eine diese
Schrägungsrichtungslinie 34 einschließende Ebene, die nahezu längs
der Richtung der Höhe des Schaufelkörpers 11 verläuft.
Bezugsziffern 1' und 11' stehen für Projektionen der
jeweiligen Laufschaufeln auf diese
Schrägungsbezugsfläche. Der herkömmliche Schaufelkörper 1 ohne
Voreilung ist in ausgezogenen Linien eingezeichnet,
während das Schaufelelement 11 der erfindungsgemäßen
Laufschaufel in doppelt strichpunktierten Linien
dargestellt ist.
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Das Symbol t steht für eine Sehnenlänge der
Spitzenendfläche 33 der erfindungsgemäßen Laufschaufel. Zur
Bestimmung einer Schrägungsgröße sei der Bereich des
Spitzenendteils des Schaufelkörpers zwischen der
Spitzenendfläche der Laufschaufel und einem von der
Spitzenendfläche in Richtung auf den Mittelteil um t/2
verschobenen Querschnitt 35 als für die Sekundärströmung
relevanter Beeinflussungsbereich betrachtet. Ein Punkt
37 ist die Position der Vorderkante des
Querschnittsprofils
dieses Querschnitts 35 der erfindungsgemäßen
Laufschaufel auf der Schrägungsbezugsfläche. Ein Punkt
36 gibt die Position der Vorderkante der
Spitzenendfläche 33 der erfindungsgemäßen Laufschaufel, ebenfalls
auf der Schrägungsbezugsfläche, an. Ein Winkel, der
zwischen einer die beiden Punkte 36 und 37, welche
diese Positionen der Vorderkante auf der
Schrägungsbezugsfläche angeben, verbindenden Geraden, d.h. einer
effektiven Schrägungslinie 38, und einer senkrecht zur
Hauptachse des Axialstromverdichters liegenden Geraden
39 auf der Schrägungsbezugsfläche gebildet ist, ist
vorliegend als "effektive Schrägungsgröße θseff"
bezeichnet. Obgleich eine die Vorderkanten der jeweiligen
Querschnittsprofile verbindende Vorderkantenlinie 40 in
der Praxis nicht immer eine Gerade bildet, ist die so
definierte effektive Schrägungsgröße θseff ein
mittlerer Winkel der Vorwärtsneigung zur Stromaufseite der
Vorderkante der Spitzenendfläche des Schaufelkörpers
11; ein Beeinflussungsgrad für die Sekundärströmung
kann meist auf der Grundlage der beiden Parameter des
Winkels S in der Schrägungsrichtung und der auf der
Schrägungsbezugsfläche auf oben angegebene Weise
definierten effektiven Schrägungsgröße θseff untersucht
werden.
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Fig. 4 ist ein Diagramm von Daten von Versuchen, die
bezüglich der erfindungsgemäßen Laufschaufel
durchgeführt wurden. Dabei sind der Winkel S der
Schrägungsrichtung auf der Abszisse und die effektive
Schrägungsgröße auf der Ordinate aufgetragen. Eine Größe der
Verbesserung eines Stufenspitzenwirkungsgrads ist an
jeder Stelle in % angegeben; eine allgemeine Tendenz
ist durch Konturen einer Größe der
Wirkungsgrad-Verbesserung angegeben. In dieser Figur sind die Bereiche, in
denen die Größe der Verbesserung des Wirkungsgrads 0%
oder mehr beträgt, der Bereich, in welchem ein
Wirkungsgrad der vorliegenden Laufschaufel 11 verbessert worden
ist; eine Annäherung der Kontur entsprechend einer
Verbesserungsgröße von 0% durch Geraden ist der durch
die folgenden vier Punkte: A, B, C und D begrenzte
Bereich.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrads dieser Laufschaufel
ist daher die Konfiguration der Vorderkante des
Spitzenendteils zwischen der Spitzenendfläche dieser
Laufschaufel und einem von der Spitzenendfläche in Richtung
auf den Mittelteil um t/2 verschobenen Querschnitt so
gewählt, daß der genannte Winkel S der
Schrägungsrichtung und die effektive Schrägungsgröße θseff innerhalb
des durch die genannten vier Punkte A, B, C und D
begrenzten Bereichs zu liegen kommen können. Es ist zu
bemerken, daß die Konfigurationen der Vorderkante und
der Hinterkante des Schaufelkörpers 11 in dem Bereich
vom um t/2 oder mehr verschobenen Mittelbereich bis
zur Nabe so ausgelegt sind, daß sie die Konfiguration
im Beeinflussungsbereich sanft bzw. übergangslos
fortsetzen; beispielsweise könnten sie vom aufrechten (etwa
lotrechten) Typ gemäß Fig. 5(a), vom Umkehr- oder
Rückspringtyp gemäß Fig. 5(b) oder vom Neigungs- bzw.
Schrägtyp gemäß Fig. 5(c) sein. Im allgemeinen
übersteigt ein Stufenwirkungsgrad η eines
Axialstromverdichters 90%; infolgedessen impliziert die
Verbesserungsgröße von Δη = 0,8% im Wirkungsgrad bei dieser
Laufschaufel eine mögliche Verbesserungsgröße von
(0,8/10) x 100 = 8%, d.h. 8% des verbleibenden geringen
Verlusts sind herabgesetzt worden, was als sehr viel
angesehen werden kann.
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Es ist zu bemerken, daß die erfindungsgemäße
Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen nicht nur auf die
oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein
soll, sondern auch auf vom Axialstromverdichter
verschiedene Maschinen anwendbar ist, beispielsweise auf
Axialstromgebläse, Axialstrompumpen und Gasturbinen.
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Da die erfindungsgemäße Laufschaufel für
Axialströmungsmaschinen, wie oben im einzelnen beschrieben, auf
die angegebene Weise konstruiert ist, ergibt sich
folgendes: Fluid niedriger Energie, das am
Spitzenendabschnitt des Schaufelkörpers stagnieren kann, kann zu
einer Strömung in Stromabrichtung, ohne zu stagnieren,
gezwungen werden, so daß damit der Wirkungsgrad der
Laufschaufel verbessert sein kann.