DE69012275T2 - Laufschaufel für Axialströmungsmaschine. - Google Patents

Laufschaufel für Axialströmungsmaschine.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG: Gebiet der Erfindung:
  • 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:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen, bei welcher die geschilderten Probleme bei der herkömmlichen Laufschaufel gelöst sind.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1(a) eine Seitenansicht einer Laufschaufel eines Axialstromverdichters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung,
  • Fig. 1(b) eine Draufsicht auf dieselbe,
  • Fig. 1(c) Querschnittansichten derselben in sechs verschiedenen Positionen,
  • Fig. 2(a) eine schematische Darstellung derselben,
  • Fig. 2(b) eine schematische Darstellung einer Laufschaufel bei einem Axialstromverdichter nach dem Stand der Technik,
  • Fig. 3 eine diagrammartige Darstellung von Laufschaufeln bei Axialstromverdichtern gemäß der genannten bevorzugten Ausführungsform und nach dem Stand der Technik,
  • 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,
  • Fig. 5 (eine) Seitenansicht(en) von Laufschaufeln bei Axialstromverdichtern gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
  • Fig. 6(a) eine Seitenansicht einer Axialstromverdichter-Laufschaufel nach dem Stand der Technik,
  • Fig. 6(b) eine Draufsicht auf dieselbe und
  • Fig. 6(c) eine Querschnittansicht derselben.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

1. Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen, umfassend einen Schaufelkörper, bei dem eine Vorderkante eines Spitzenendteils sowohl nach vorn geneigt ist als auch in der Drehrichtung voreilt, dadurch gekennzeichnet, daß das Spitzenendteil relativ zur Spitzen-Sehnenlinie zur Stromaufseite hin vorwärts geneigt ist und die Konfiguration der Vorderkante des Spitzenendteils derart ist, daß ein Winkel S einer Schrägungsrichtung der Vorderkante des Spitzenendteils in der Spitzen-Schnittebene und eine effektive Schrägungsgröße θseff zur Stromaufseite hin innerhalb eines Bereichs liegen, der durch die folgenden vier Punkte A, B, C und D in einem Diagramm begrenzt ist, in dem der Winkel S der Schrägungsrichtung und die effektive Schrägungsgröße θseff auf den orthogonalen Achsen aufgetragen sind:
wobei der Schrägungswinkel S durch den Winkel definiert ist, der von der durch die Spitzen-Vorderkante des Spitzen-Strömungsprofil-Abschnittes und die Spitzen-Vorderkante einer imaginären, auf herkömmliche Weise konstruierten Schaufel, deren Formzentren eines jeden Querschnitt-Strömungsprofils auf einer radialen, durch das Formzentrum des Querschnitt-Strömungsprofils der Schaufelwurzel verlaufenden Linie liegen, verlaufenden Linie und der Linie in der Maschinen-Axialrichtung von der imaginären Schaufel-Vorderkante eingeschlossen ist, und die effektive Schrägungsgröße θseff durch den Winkel zwischen der Linie, die durch die Spitzen-Vorderkante des Spitzen-Strömungsprofilquerschnitts und die Vorderkante des vom Spitzen(-Strömungsprofil)abschnitt um 1/2 der Spitzen-Sehnenlänge abwärts versetzten Querschnitt-Strömungsprofils verläuft, und der durch die Vorderkante des Spitzen(-Strömungsprofil) abschnittes verlaufenden radialen Linie definiert ist, wobei jede Linie auf die Ebene projiziert ist, welche durch die radiale Linie und die Schrägungsrichtungslinie, die durch die Spitzen-Vorderkante verlaufen, aufgespannt wird.
2. Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper im Bereich zwischen einer Nabe und einem von der Spitzenendfläche der Laufschaufel zum zentralen Bereich um 1/2 der Sehnenlänge versetzten Bereich vom aufrechten Typ ist, bei dem die Vorderkante und die Hinterkante des Schaufelkörpers in der Richtung nahezu senkrecht zu einer Hauptachse verlaufen.
3. Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper im Bereich zwischen einer Nabe und einem von der Spitzenendfläche der Laufschaufel zum zentralen Bereich um 1/2 der Sehnenlänge versetzten Bereich vom Umkehr- oder Rückspringtyp ist, bei dem die Vorderkante und die Hinterkante des Schaufelkörpers zuerst zur Stromabseite zurück geneigt und dann zur Stromaufseite vorwärts geneigt sind.
4. Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkörper im Bereich zwischen einer Nabe und einem von der Spitzenendfläche der Laufschaufel zum zentralen Bereich um 1/2 der Sehnenlänge versetzten Bereich vom Schrägtyp ist, bei dem die Vorderkante und die Hinterkante des Schaufelkörpers zur Stromaufseite hin vorwärts (forth) geneigt sind.
5. Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufel für Axialströmungsmaschinen nach Anspruch 1 als eine Laufschaufel der Turbine verwendet wird.
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