EP0798447B1 - Schaufelblatt für Strömungsmaschinen - Google Patents

Schaufelblatt für Strömungsmaschinen Download PDF

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EP0798447B1
EP0798447B1 EP97104465A EP97104465A EP0798447B1 EP 0798447 B1 EP0798447 B1 EP 0798447B1 EP 97104465 A EP97104465 A EP 97104465A EP 97104465 A EP97104465 A EP 97104465A EP 0798447 B1 EP0798447 B1 EP 0798447B1
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EP
European Patent Office
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blade
profile
section
accordance
thicker
Prior art date
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EP97104465A
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English (en)
French (fr)
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EP0798447A2 (de
EP0798447A3 (de
Inventor
Reinhard Dr. Niehuis
Norbert Hübner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
Priority claimed from DE1996112396 external-priority patent/DE19612396C2/de
Priority claimed from DE1996112394 external-priority patent/DE19612394C2/de
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
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Publication of EP0798447A3 publication Critical patent/EP0798447A3/de
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Publication of EP0798447B1 publication Critical patent/EP0798447B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations

Definitions

  • the invention relates to a blade for blade grids of turbomachines according to the preamble of claim 1.
  • the airfoils are produced from a large number of individual profile cuts, the individual profile cuts being adapted to the radially variable flow angle and conditions.
  • the shape of the airfoil is defined by threading the individual profile cuts.
  • secondary flows and secondary losses occur in vane grids.
  • a wall boundary layer is formed on the lateral boundary walls of the blade grille in the inflow to the meshes and is deflected in the blade channel.
  • the lower-energy fluid in the pre-boundary layer cannot keep the pressure field built up from the profile suction side to the profile pressure side of an adjacent blade, which is essentially determined by the flow outside the edge zones.
  • a backflow occurs in the plane of symmetry of the spatial accumulation area. Due to the interaction with the external flow, a vortex is created that runs horseshoe-shaped around the profile.
  • the horseshoe vertebra thus consists of a branch on the suction side and a branch on the pressure side.
  • the swirl arm on the suction side runs along the profile suction side, has an opposite direction of rotation with respect to the channel swirl and hinders the movement of the channel swirl to the suction side.
  • the pressure-side branch of the horseshoe vortex has the same direction of rotation within the blade channel as the channel vortex.
  • a complex vortex system is created, with the individual vertebrae interacting strongly with one another.
  • the object is solved by the features of claim 1.
  • the invention has the advantage that the swirl system in the edge zones is favorably influenced by the thickening of the airfoil in the suction and pressure side area and within the airfoil channel.
  • the intensity of the secondary vortices in the leading edge area (horseshoe / channel vortices) and their spatial position are changed, which leads to a reduction in vane lattice losses and improved step efficiency in axial, radial, diagonal and straight vane grids of turbomachines.
  • additional influence can be exerted on the blade load, that is to say the pressure distribution.
  • the side wall is understood to mean both the hub-side, that is to say the radially inner, and the housing-side, that is to say the radially outer, boundary of the ring channel, which can be designed as a platform formed in the circumferential and axial direction or as a cover band or machine housing.
  • the invention can be used, inter alia, in the stator and rotor blading of compressors, turbines, blowers and pumps, the thickening being able to be carried out radially on the inside and / or outside, depending on the influence of the secondary flow.
  • a profile cut P M is to be understood as a reference profile cut, which can be found at approximately 50% of the total blade height h tot .
  • airfoils in axial turbomachines have more complex blade geometries, since the individual profile cuts P, which define the airfoils, are adapted to the locally prevailing flow conditions. Because of the radially variable flow angle and conditions, the airfoil generally consists of a large number of individual profile cuts which are adapted to these conditions and change along the height of the airfoil and in particular in its orientation and position.
  • Aerodynamic, mechanical and thermal loads lead to also to one Change of the profile thickness and the axial dimension over the blade height.
  • the gas pressure load for example, requires guide vanes mounted radially on the outside of the housing to the outside radially an increasing profile thickness and axial dimension to the Resist bending stress.
  • blades have in the hub area the largest profile thickness and axial dimension to the centrifugal stress to be able to withstand.
  • the thickening according to the invention at the edge zones is therefore to be understood as an additive thickening of a basic profile that the aforementioned Changes in the thickness of the airfoil are taken into account.
  • the thickest Position X of the airfoil can thicken up to 30% of the chord length of the Profile section P amount.
  • the loss-reducing influence of the secondary flow is possible without inevitable an already optimized profile pressure distribution in an undesired way due to the thickening is changed.
  • the graduation angle b represents a design parameter, after optimization of the secondary flow by means of the thickening according to the invention has only little influence on the secondary flow, but still the pressure distribution can be optimized in the desired manner via the profile cuts P.
  • the airfoil be made hollow in the area of the thickening. You can also by the thickening the strength properties of the airfoil can be improved.
  • FIG. 1 An axial-circumferential-radial coordinate system that is common in fluid mechanics is used for direction and reference information z-f -r used.
  • the schematically shown in Fig. 1 upper half of a two-stage axial turbine 1 has axially arranged one after the other in pairs Guide and moving vane grille 2 or 3, which with straight or concave against the Flow direction S curved guide or blades 4,5 are equipped.
  • the shovel blades 6 of the guide and rotor blades 4, 5 extend radially in one to the machine longitudinal axis A of the axial turbine 1 concentrically arranged ring channel 7.
  • the axis-concentric Running side and hub side walls form the radially inner and radial outer channel boundary 8 or 9 of the ring channel 7 and give this one with respect to Flow direction S divergent course.
  • the rotor blade grids 3 are of disk construction, i.e. the rotor blades 5 are each attached to a disc 10 grid.
  • the blade blade 6' is formed in the area near the edge a variety of individual profile cuts P R , P 1-7 and P M generated.
  • the profile cuts P are customarily adapted to the radially variable flow angle conditions. Aerodynamic, mechanical and thermal loads have an influence on the design of the profile cuts P, which lead among other things to a change in the profile thickness d along the blade height h.
  • the airfoil 6 ′ of the guide vane grille 2 is attached radially on the outside to the outer channel boundary 9, that is to say on the housing, and therefore, due to the gas pressure load, generally has an increasing profile thickness d and profile depth t radially outwards.
  • the profile cuts P R and P 1 - P 5 near the edge have a thickening 11 which increases towards the outer channel boundary 9 compared to a reference profile cut P M to positively influence the secondary flow in the edge area.
  • a profile cut P was selected as the reference profile cut P M , which is spaced from the inner channel boundary 8 by 12% of the airfoil height h ges and has no thickening 11.
  • 2d shows the extent of the thickening 11 over the entire profile depth 1 compared to the thin reference profile section P M.
  • the thickening 11 increases continuously up to a location X, designated as a thickness reserve, at which the maximum profile thickness is reached, and then continuously decreases as far as the trailing edge 13 of the blade. This increase and decrease in the thickening 11 takes place continuously in order to obtain an aerodynamically favorable shape. Due to the different graduation angle b R, M of the two profile cuts P R and P M , the skeleton lines K M and K R of the two profile cuts P R and P M do not fall directly on one another, so that the thickening 11 in the trailing edge area is not directly on the pressure and Suction side 14 or 15 is visible.
  • the thickening 11 results from the enlargement of the three profile parameters nose radius R N at the blade leading edge 12, profile thickness d and wedge angle ⁇ N at the front edge 12.
  • the nose radius R N increases to for the profile cut P R close to the edge, the nose radius R N by almost 300%, the profile thickness d by approximately 200% and the wedge angle ⁇ N by approximately 20 °.
  • the thickening 11 is selected such that, due to the different staggering angles b M , b R of the profile cuts P, profile depths 1 R or 1 M of different sizes result in the dimension t in the axial direction unaffected by the thickening 11.
  • the dimension t can, however, vary for reasons of strength over the height of the airfoil h ges .
  • FIGS. 3a to 3f An alternative course of the thickening 11 is shown in FIGS. 3a to 3f, in which case the profile parameters determining the thickening 11 continuously decrease starting from the profile cut P R near the edge without an inflection point until the profile cuts P merge into the reference profile cut P M.
  • the course of the parameters is approximated to a cosine function, which has a favorable influence on the position and size of the secondary vertebrae.
  • the staggering and threading of the profile cuts P was left unchanged compared to the first variant according to FIG. 2.
  • FIGS. 4a to 4c A third embodiment of an airfoil design close to the edge is shown in FIGS. 4a to 4c.
  • the further shaping of the airfoil 6 "' is defined by the threading of the profile cuts P in the circumferential direction.
  • the airfoil 6"' shown there has the same qualitative and quantitative thickening 11 and the same profile cuts P as used in the parameter profiles for the first exemplary embodiment according to FIGS Diagrams of FIGS. 2e to 2g are expressed.
  • the thickening 11 in the plan view according to FIG. 4b is shown as the pressure-side thickening 11 of the airfoil 6 ′′.
  • the staggering angle b the profile cuts P are chosen such that the influence of the thickening 11 on the suction-side pressure distribution to the profile cuts P is compensated or at least the position of the pressure minimum relative to profile cuts P M remains unchanged without thickening.
  • This exemplary embodiment shows that the thickening 11 is carried out on the pressure and suction side can be, by threading the profile cuts P in the axial direction and in the circumferential direction the location on the pressure or suction side of the thickening 11 in FIG. 4a is not immediately recognizable is.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für Schaufelgitter von Strömungsmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Schaufelblätter werden nach heutigem Stand der Technik aus einer Vielzahl von einzelnen Profilschnitten erzeugt, wobei die einzelnen Profilschnitte an die radial veränderlichen Strömungswinkel und -zustände angepaßt sind. Durch Fädeln der Einzelprofilschnitte wird die Form/Gestalt des Schaufelblattes definiert.
In Schaufelgittern entstehen bekanntermaßen Sekundärströmungen und Sekundärverluste. An den seitlichen Begrenzungswänden des Schaufelgitters bildet sich in der Zuströmung zu den Gittern eine Wandgrenzschicht aus, die im Schaufelkanal umgelenkt wird. Das energieärmere Fluid in der Vorgrenzschicht kann jedoch dem von der Profilsaugseite zur Profildruckseite einer benachbarten Schaufel sich aufbauenden Druckfeld, das im wesentlichen durch die Strömung außerhalb der Randzonen bestimmt wird, nicht das Gleichgewicht halten. Als Folge tritt mit der Ausbildung stärker gekrümmter Strombahnen eine Querströmung von der Druckseite zur Saugseite der Nachbarschaufel auf, die sich in einem Wirbel im Schaufelkanal fortsetzt.
Der Transport des energiearmen Materials der Vorgrenzschicht und die Überlagerung mit der saugseitigen Profilgrenzschicht ruft zusätzliche Verluste, die sogenannten Randverluste hervor. Für die Höhe der Verluste ist die Intensität des Überströmens entscheidend.
Auf die Querbewegung sind zusätzliche Einflüsse weiterer Wirbelsysteme vorhanden. Im wandseitigen, räumlichen Staubereich von der Schaufelvorderkante steigt der örtliche Druck in Strömungsrichtung stark an. Dadurch weichen die wandnahen Schichten des Fluids in der Anströmgrenzschicht in Zonen geringeren Druckes quer zur Hauptströmung aus.
In der Symmetrieebene des räumlichen Staugebietes kommt es zu einer Rückströmung. Aufgrund der Wechselwirkung mit der Außenströmung entsteht ein Wirbelgebilde, das hufeisenförmig um das Profil verläuft. Der Hufeisenwirbel besteht somit aus einem saugseitigen und einem druckseitigen Ast. Der saugseitige Wirbelarm verläuft entlang der Profilsaugseite, hat einen gegenläufigen Drehsinn gegenüber dem Kanalwirbel und behindert die Bewegung des Kanalwirbels zur Saugseite. Der druckseitige Ast des Hufeisenwirbels hat innerhalb des Schaufelkanals einen gleichläufigen Drehsinn wie der Kanalwirbel. Es entsteht ein komplexes Wirbelsystem, wobei die einzelnen Wirbel in starker Wechselwirkung miteinander stehen.
In der GB 2 004 599 A wird zur Senkung der Sekundärströmungsverluste eine proportional zunehmende Profildicke im gehäuseseitigen Wandbereich von Leitschaufelgittem vorgeschlagen. Hierdurch wird der radiale Druckgradient in der gehäuseseitigen Abströmebene reduziert, was dann die Sekundärströmungsverluste senkt. Diese Ausbildung führt allerdings nur zu einer Verbesserung der Strömungsverhältnisse bei Leitschaufelgittern im gehäuseseitigen Wandbereich.
Ähnliche, proportional verlaufende Aufdickungen sind in der JP 55-142 909 A offenbart.
Aus der DE-A- 2841 616 ist ein Leitschaufelgitter für Axialströmungsmaschinen bekannt, bei dem die Schaufelblattdicke ab einer gewissen, radialen Schaufelblatthöhe bis zur radial äußeren Gehäusewand proportional, d.h. linear, zunimmt. Die Aufdickung befindet sich nur auf der Saugseite (der nachlaufenden Kante) sowie nur am radial äußeren Ende der Leitschaufel und erstreckt sich etwa über ein Viertel der Schaufelhöhe. Aufgabe hierbei ist die Verringerung von Sekundärströmungsverlusten zur Erhöhung des Stufenwirkungsgrades. Die Wirksamkeit dieser speziellen Schaufelblattgeometrie erscheint begrenzt und nicht optimal.
Auch in der Dissertationsschrift "Wieß, Andreas P.: Der Einfluß der Profilgeometrie auf die Entwicklung der Sekundärströmungen in Turbinengittern, Dissertation 1993, Universität der Bundeswehr München, S. 80-81" wird die Beeinflußbarkeit der Sekundärströmung durch Variation der Profilgeometrie untersucht, um die Gitterverluste zu minimieren.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Schaufelblatt von Leit- und Laufschaufelgittern anzugeben, deren Schaufelgeometrie die Sekundärströmung im Sinne einer Minimierung der Schaufelverluste beeinflußt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß durch die Aufdickung des Schaufelblattes im saug- und druckseitigen Bereich und innerhalb des Schaufelkanals das Wirbelsystem in den Randzonen günstig beeinflußt wird. In der Folge wird die Intensität der Sekundärwirbel im Vorderkantenbereich (Hufeisen-/Kanalwirbel) und deren räumliche Lage geändert, was bei axialen, radialen, diagonalen und geraden Schaufelgittern von Strömungsmaschinen zu einer Reduzierung der Schaufelgitterverluste und zur Verbesserung des Stufenwirkungsgrades führt. Des weiteren kann je nach Wahl der Einflußparameter wie Vorderkantenradius, Keilwinkel und Profildicke zusätzlich Einfluß auf die Schaufelbelastung, also die Druckverteilung genommen werden.
Durch die Ausbildung der Aufdickung nach einer Cosinus- oder Tangensfunktion wird gezielt auf die Lage und Größe der Sekundärwirbel eingewirkt.
Als Seitenwand wird sowohl die nabenseitige, also die radial innere, als auch die gehäuseseitige, also radial äußere Begrenzung des Ringkanals verstanden, wobei diese als in Umfangs- und axialer Richtung ausgebildete Plattform bzw. als Deckband oder Maschinengehäuse ausgeführt sein kann. Die Erfindung kann u.a. bei der Stator- und Rotorbeschaufelung von Verdichtern, Turbinen, Gebläsen und Pumpen genutzt werden, wobei die Aufdickung je nach Einfluß der Sekundärströmung radial innen und/oder außen ausgeführt werden kann.
Bei einfachen Blattgeometrien, z.B. geraden Turbinengittern, ist als Referenz-Profilschnitt ein Profilschnitt PM zu verstehen, welcher bei etwa 50% der gesamten Schaufelblatthöhe hges zu finden ist. Schaufelblätter in axialen Strömungsmaschinen weisen dagegen komplexere Schaufelgeometrien auf, da die einzelnen Profilschnitte P, die die Schaufelblätter definieren, an die lokal herrschenden Strömungszustände angepaßt sind. Aufgrund der radial veränderlichen Strömungswinkel und -zustände besteht das Schaufelblatt in der Regel aus einer Vielzahl von Einzelprofilschnitten, die diesen Verhältnissen angepaßt sind und sich entlang der Schaufelhöhe und insbesondere in ihrer Ausrichtung und Lage ändern.
Aerodynamische, mechanische und thermische Belastungen führen u.a. auch zu einer Änderung der Profildicke und der axialen Abmessung über die Schaufelblatthöhe. So erfordert die Gasdrucklast bei radial außen am Gehäuse angebrachten Leitschaufeln nach radial außen eine zunehmende Profildicke und axiale Abmessung, um der Biegebeanspruchung zu widerstehen. Dagegen weisen Laufschaufeln im Nabenbereich die größte Profildicke und axiale Abmessung auf, um der Fliehkraftbeanspruchung standhalten zu können. Die erfindungsgemäße Aufdickung an den Randzonen ist daher als additive Aufdickung eines Grundprofils zu verstehen, die die zuvor genannten Dickenänderungen des Schaufelblattes berücksichtigt. An der dicksten Stelle X des Schaufelblattes kann die Aufdickung bis zu 30% der Sehnenlänge des Profilschnittes P betragen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch Ausbildung der Erfindung mittels der Merkmale nach einem der Ansprüche 7 oder 8 ist die verlustmindernde Beeinflussung der Sekundärströmung möglich, ohne daß zwangsläufig eine bereits optimierte Profildruckverteilung in ungewünschter Weise durch die Aufdikkung abgeändert wird. Hierbei stellt der Staffelungswinkel b einen Auslegungsparameter dar, der nach erfolgter Optimierung der Sekundärströmung mittels der erfindungsgemäßen Aufdickung nur noch geringen Einfluß auf die Sekundärströmung hat, jedoch noch die Druckverteilung über die Profilschnitte P in gewünschter Weise optimiert werden kann.
Um eine Gewichtszunahme des Schaufelblattes durch die Aufdickung zu kompensieren, kann das Schaufelblatt im Bereich der Aufdickung hohl ausgeführt werden. Zudem können durch die Aufdickung die Festigkeitseigenschaften des Schaufelblattes verbessert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine Niederdruckturbine axialer Bauweise mit gekrümmten und geraden Schaufelblättern,
Fig. 2a
eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schaufelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit S-förmigem Aufdickungsverlauf,
Fig. 2b
ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 2a,
Fig. 2c
ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 2a mit Darstellung der Profilschnitte P,
Fig. 2d
eine Draufsicht des Schaufelmodells nach Fig. 2a mit Darstellung eines Referenz- und eines randnahen Profilschnitts,
Fig. 2e
ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 2a,
Fig. 2f
ein Diagramm zum Verlauf der Profildicke im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 2a,
Fig. 2g
ein Diagramm zum nabenseitigen Verlauf des Keilwinkels g an der Vorderkante des Schaufelblattes nach Fig. 2a,
Fig. 3a
eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schaufelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit exponentiellem Aufdickungsverlauf,
Fig. 3b
ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 3a,
Fig. 3c
ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 3a,
Fig. 3d
ein Diagramm zum Verlauf des Nasenradiuses im Randbereich des Schaufelblattes nach Fig. 3a,
Fig. 3e
ein Diagramm zum Verlauf des Keilwinkels g an der Vorderkante des Schaufelblattes Fig. 3a,
Fig. 4a
eine perspektivische Ansicht eines nabenseitigen Schuafelblattabschnitts gemäß Schnitt W-W aus Fig. 1 mit Fädelung der Profilschnitte in Umfangsrichtung,
Fig. 4b
ein strömungsmechanisches Modell des Schaufelblattabschnitts nach Fig. 4a,
Fig. 4c
eine Draufsicht des strömungsmechanischen Modells nach Fig. 4a,
Für Richtungs- und Bezugsangaben wird ein in der Strömungsmechanik übliches Axial-Umfangs-Radial-Koordinatensystem z-f -r verwendet. Die in Fig. 1 schematisch dargestellte obere Hälfte einer zweistufigen Axialturbine 1weist paarweise axial hintereinander angeordnete Leit- und Laufschaufelgitter 2 bzw. 3 auf, die mit geraden bzw. konkav entgegen der Strömungsrichtung S gekrümmten Leit- bzw. Laufschaufeln 4,5 bestückt sind. Die Schaufelblätter 6 der Leit- und Laufschaufeln 4,5 erstrecken sich radial in einem zur Maschinenlängsachse A der Axialturbine 1 konzentrisch angeordneten Ringkanal 7. Die achskonzentrisch verlaufenden naben- und gehäuseseitigen Seitenwände bilden die radial innere und radial äußere Kanalbegrenzung 8 bzw. 9 des Ringkanals 7 und geben diesem einen bezüglich der Strömungsrichtung S divergenten Verlauf.
Die Laufschaufelgitter 3 sind in Scheibenbauweise ausgeführt, d.h., die Laufschaufeln 5 sind jeweils gitterweise an einer Scheibe 10 angebracht.
Die Fig. 2a bis 2c zeigen den nabenseitigen Randbereich des zum Leitschaufelgitter 2 gehörigen Schaufelblattes 6' gemäß der Schnittführung W-W in Fig. 1. Wie aus dem Modell nach den Fig. 2b und 2c deutlich wird, wird das Schaufelblatt 6' im randnahen Bereich aus einer Vielzahl von einzelnen Profilschnitten PR, P1-7 und PM erzeugt. In ihrer Formgebung sind die Profilschnitte P in üblicher Weise an die radial veränderlichen Strömungswinkel -zustände angepaßt. Einen Einfluß auf die Gestaltung der Profilschnitte P haben aerodynamische, mechanische und thermische Belastungen, die u.a. zu einer Änderung der Profildicke d entlang der Schaufelhöhe h führen. In typischer Weise ist das Schaufelblatt 6' des Leitschaufelgitters 2 radial außen an der äußeren Kanalbegrenzung 9, also am Gehäuse angebracht, und weist daher infolge der Gasdruckbelastung im Allgemeinen nach radial außen eine zunehmende Profildicke d und Profiltiefe t auf. Die zum Laufschaufelgitter 3 gehörige Laufschaufel 5 weist dagegen im Nabenbereich die größte Profildicke auf, um der Fliehkraftbeanspruchung Stand halten zu können. Bei den Übergängen der Schaufelblätter 6 in die begrenzenden Seitenwände 8,9 - bei den Laufschaufeln 5 ist dies an der inneren Kanalbegrenzung 8 der Fall - weisen diese einen Ausrundungsradius rN bzw. rG auf, der die mechanischen Belastungen, wie die Kerbwirkung reduziert, so daß die Schaufelblätter 6 jeweils flächig in die Seitenwände 8,9 übergehen.
Wie in den Figuren 2a bis 2d erkenntlich und in dem Diagramm nach Fig. 2f im qualitativen Verlauf dargestellt, weisen die randnahen Profilschnitte PR und P1 - P5 gegenüber einem Referenz-Profilschnitt PM eine zur äußeren Kanalbegrenzung 9 hin zunehmende Aufdickung 11 auf, um die Sekundärströmung im Randbereich positiv zu beeinflussen. Hierbei wurde die radiale Ausdehnung der Aufdickung 11 derart gewählt, daß die Aufdickung 11 im Bereich der Seitenwandgrenzschicht liegt, der eine radiale Ausdehnung von knapp h/hges = 12 % aufweist. Als Referenz-Profilschnitt PM wurde ein Profilschnitt P gewählt, welcher um 12% der Schaufelblatthöhe hges von der inneren Kanalbegrenzung 8 beabstandet ist und keine Aufdickung 11 aufweist.
In Fig. 2d wird die Ausdehnung der Aufdickung 11 über die gesamte Profiltiefe l hinweg gegenüber dem dünnen Referenz-Profilschnitt PM deutlich. Ausgehend von der Schaufelvorderkante 12 nimmt die Aufdickung 11 kontinuierlich, bis zu einem als Dickenrücklage gekennzeichneten Ort X zu, an dem die maximale Profildicke erreicht wird, um dann bis zur Schaufelhinterkante 13 kontinuierlich abzunehmen. Diese Zu- und Abnahme der Aufdickung 11 erfolgt stetig, um eine aerodynamisch günstige Formgebung zu erhalten. Aufgrund des unterschiedlichen Staffelungswinkel bR,M der beiden Profilschnitte PR und PM fallen die Skelettlinien KM und KR der beiden Profilschnitte PR und PM nicht unmittelbar aufeinander, so daß im Hinterkantenbereich die Aufdickung 11 nicht unmittelbar auf der Druck- und Saugseite 14 bzw. 15 sichtbar wird.
Wie die Diagramme der Fig. 2e bis 2g zeigen, resultiert die Aufdickung 11 aus der Vergrößerung der drei Profilparameter Nasenradius RN an der Schaufelvorderkante 12, Profildicke d und Keilwinkel γN an der Vorderkante 12. Ausgehend vom Referenz-Profilschnitt PM vergrößert sich bis zum randnahen Profilschnitt PR der Nasenradius RN um knapp 300%, die Profildicke d um etwa 200% und der Keilwinkel γN um etwa 20°. Allen drei Verläufen ist gemeinsam, daß die Aufdickung 11 ausgehend vom randnahen Profilschnitt PR bis zur relativen Schaufelblatthöhe h1/hges = 3% im wesentlichen konstant bleibt, um dann innerhalb der Höhe h2, in einem Übergangsbereich TÜ, der einer approximierten Tangensfunktion mit Wendepunkt W etwa bei 7% der Schaufelblatthöhe hges entspricht, auf einen Wert auszulaufen, der dem Referenz-Profilschnitt PM entspricht. Die Höhe hauf mit Aufdickung 11 setzt sich somit aus der Höhe h1 und h2 zusammen.
Wie in Fig. 2a zu erkennen, ergibt sich somit eine Aufdickung 11, die bis zu einer Schaufelblatthöhe h1 /hges = 3% als zylindrisches Teilstück TZ ausgebildet ist, um dann entsprechend einer Übergangsfunktion TÜ auszulaufen. Generell ist dabei die Aufdickung 11 derart gewählt, daß sich zwar aufgrund des unterschiedlichen Staffelungswinkel bM, bR der Profilschnitte P unterschiedlich große Profiltiefen 1R bzw. 1M ergeben aber die Abmessung t in axialer Richtung von der Aufdickung 11 unbeeinflußt. Die Abmessung t ist allerdings u.a. aus Festigkeitsgründen über die Schaufelblatthöhe hges veränderlich.
Ein alternativer Verlauf der Aufdickung 11 ist in den Fig. 3a bis 3f gezeigt, wobei hier die die Aufdickung 11 bestimmenden Profilparameter ausgehend vom randnahen Profilschnitt PR ohne Wendepunkt stetig abfallen, bis die Profilschnitte P in den Referenz-Profilschnitt PM übergehen. Der Parameterverlauf ist dabei einer Cosinusfunktion angenähert wodurch die Lage und Größe der Sekundärwirbel günstig beeinflußt wird. Die Staffelung und Fädelung der Profilschnitte P wurde dabei gegenüber der ersten Variante nach Fig. 2 unverändert gelassen.
Eine dritte Ausführungsform von einer randnahen Schaufelblattgestaltung ist in den Fig. 4a bis 4c gezeigt. Durch die Fädelung der Profilschnitte P in Umfangsrichtung wird die weitere Formgebung des Schaufelblattes 6"' definiert. Das dort gezeigte Schaufelblatt 6"' weist die gleiche qualitative und quantitative Aufdickung 11und die gleichen Profilschnitte P auf, wie sie in den Parameterverläufen zum ersten Ausführungsbeispiel nach den Diagrammen der Fig. 2e bis 2g zum Ausdruck kommt. Durch die Fädelung der Profilschnitte P, wonach die Schaufelhinterkante 13 eine Gerade bildet, stellt sich die Aufdickung 11 in der Draufsicht nach Fig. 4b als druckseitige Aufdickung 11 des Schaufelblattes 6"' dar. Bei diesem wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen wurde der Staffelungswinkel b der Profilschnitte P derart gewählt, daß der Einfluß der Aufdickung 11 auf die saugseitige Druckverteilung zu den Profilschnitten P kompensiert oder zumindest die Lage des Druckminimums gegenüber Profilschnitten PM ohne Aufdickung unverändert bleibt.
Weitere vorteilhafte Schaufelblattgestaltungen ergeben sich durch eine Fädelung der Randschnitte in axialer Richtung unter Ausnutzung von gepfeilten Vorderkanten, wie in Fig. 1 dargestellt. Dabei kann durch die axiale Breite der Profilschnitte zur Berandung 8 bzw. 9 zuoder abnehmen.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, daß die Aufdickung 11 druck- und saugseitig ausgeführt sein kann, wobei durch die Fädelung der Profilschnitte P in axialer Richtung und in Umfangsrichtung der druck- oder saugseitige Ort der Aufdickung 11 in Fig. 4a nicht unmittelbar erkennbar ist.

Claims (11)

  1. Schaufelblatt für Schaufelgitter von Strömungsmaschinen in einem Ringkanal, deren Profilschnitte (P) über die Schaufelblatthöhe (h) unterschiedlich ausgebildet sind, wobei die randnahen Profilschnitte (PR) an zumindest einer begrenzenden Seitenwand (8,9) des Ringkanals (7) eine strömungsmechanisch günstige Aufdickung (11) des Schaufelprofils aufweisen, die gegenüber der Kontur eines Referenz-Profilschnittes (PM) des Schaufelblattes (1) einen vergrößerten Vorderkantenradius (RN) einen größeren Keilwinkel (γN) bzw. (γH) an der Vorder- und/oder Hinterkante (12 bzw. 13) und/oder eine größere absolute Profildicke (d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) mit zunehmendem radialen Abstand (h) von der Seitenwand (8 bzw. 9) zumindest abschnittsweise nach einer Übergangsfunktion (TÜ) abnimmt und die Übergangsfunktion (TÜ) durch eine Cosinus- oder Tangensfunktion approximiert wird.
  2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) bis zu einer Schaufelblatthöhe (h1) als zylindrisches oder konisch verlaufendes Teilstück (TZ) ausgebildet ist und im Anschluß an das Teilstück (TZ) nach einer Übergangsfunktion (TÜ) ausgeführt ist.
  3. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (hauf) mit Aufdickung (11) eine Funktion der Dicke der Vorgrenzschicht an der Seitenwand (8,9) ist, d.h. der Grenzschicht stromaufwärts des Schaufelblattes (1).
  4. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufdickung (11) vom Vorderkanten- bis zum Hinterkantenbereich des Schaufelblattes (1) erstreckt.
  5. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb einer an den Seitenwänden vorhandenen Grenzschicht liegenden Profilschnitte (PR, P1-5) mit der Aufdickung (11) versehen sind.
  6. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufdickung (11) maximal bis zu einer Höhe (hauf) von der Seitenwand (8,9) erstreckt, die 30% der Schaufelblatthöhe (hges) entspricht.
  7. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) derart gestaltet ist, daß die Lage des saugseitigen Druckminimums im wesentlichen unverändert bleibt.
  8. Schaufelblatt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Staffelungswinkel (b) der randnahen Profilschnitte (PR) gegenüber dem des Referenz-Profilschnitts (PM) derart gestaltet ist, daß die Lage des saugseitigen Druckminimums im wesentlichen unverändert bleibt.
  9. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt im Bereich der aufgedickten Profilschnitte hohl ausgeführt ist.
  10. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaufelblatt im Bereich der aufgedickten Profilschnitte in axialer Richtung und/oder Umfangsrichtung gefädelt ist.
  11. Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufdickung (11) derart gestaltet ist, daß die axiale Abmessung (t) des Profilschnittes (PR) unverändert bleibt.
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