EP4183982A1 - Schaufelblatt für eine strömungsmaschine - Google Patents

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Publication number
EP4183982A1
EP4183982A1 EP22202319.4A EP22202319A EP4183982A1 EP 4183982 A1 EP4183982 A1 EP 4183982A1 EP 22202319 A EP22202319 A EP 22202319A EP 4183982 A1 EP4183982 A1 EP 4183982A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
airfoil
tip
squealer tip
squealer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22202319.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Stettner
Ulf Koellmann
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 AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP4183982A1 publication Critical patent/EP4183982A1/de
Pending 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
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/20—Rotors
    • F05D2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05D2240/307—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the tip of a rotor blade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/94—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF]
    • F05D2260/941—Functionality given by mechanical stress related aspects such as low cycle fatigue [LCF] of high cycle fatigue [HCF] particularly aimed at mechanical or thermal stress reduction

Definitions

  • the invention relates to a blade for a turbomachine, having a leading edge and a trailing edge, which are connected to one another by a suction side and a pressure side and which extends curved in at least one area from a blade root to a blade tip. Furthermore, the invention relates to a compressor with such a blade leaf and a turbomachine.
  • a blade profile, an inclination or bending of the blade in the circumferential direction or a twisting of the blade can be used to reduce various types of flow losses when designing a three-dimensional blade.
  • blade tips of blade leaves in turbomachines for example rotor blades in aircraft engines, are regularly exposed to oscillating stresses. For example, these oscillating stresses can cause cracks in either a tip side armor and/or the airfoil body.
  • Such blade tips referred to as “squealer tips”, are known in many designs and can, for example, be designed on the pressure side or on the suction side.
  • a blade blade for a turbomachine which has a leading edge and a trailing edge, which are connected to one another by a suction side and a pressure side and which curves in at least one area from a blade blade root to a blade tip extends.
  • the blade tip has a squealer tip, which along a centroid at the airfoil tip, the centrifugal curve passing through the centrifugal axes of the airfoil.
  • a curved region of an airfoil may, for example, have a curvature, bend or inclination of a pressure side or a wall of the pressure side or a suction side or a wall of the suction side in a longitudinal and/or transverse extent.
  • a curvature can be based on a torsion or torsion of the airfoil about one of its axes and/or an in particular continuous change in cross-sectional profiles of the airfoil over its height.
  • a profile thickness of the airfoil can change while the chord length remains the same, cross-sectional profiles spaced apart from one another can be twisted relative to one another, or an edge angle has a change over the airfoil height.
  • a squealer tip is in particular a cross-sectionally tapered area of the blade tip, which can be formed, for example, by a suction-side tapering and/or a pressure-side tapering of the blade blade tip. Such a narrowing can be created in particular by removing material or by constriction in the region of the blade tip, with a region of the blade tip facing away therefrom remaining unchanged.
  • the squealer tip has a height in the axial direction of the airfoil, a longitudinal extent between the leading edge and the trailing edge of the airfoil, and a width between a suction-side flank and a pressure-side flank of the squealer tip.
  • the cross-section in relation to the height and the width of the squealer tip or the size(s) of the respective taper(s) are determined from the geometry and the requirements placed on the airfoil, in particular with regard to vibration stresses that occur during operation.
  • the design of a squealer tip with regard to its cross section is not the focus of the present invention and is therefore only discussed in passing.
  • a suction-side taper in at least one area of a longitudinal extension of the squealer tip, i.e. along the blade tip, a suction-side taper can be provided in the blade, with a pressure side wall of the blade forming the pressure-side flank of the squealer tip.
  • a pressure-side taper in the Airfoil may be provided, with a suction side wall of the airfoil forming the suction-side edge of the squealer tip.
  • a taper can be provided on both sides thereof, whereby both flanks of the squealer tip, at least in a section facing the squealer tip front side, are offset inwards in relation to the blade wall walls are.
  • the squealer tip face forms the outermost blade tip.
  • One or both flanks of the squealer tip can have a rounding, in particular in the form of a concave surface, in particular a radius, in a section adjoining one of the walls of the airfoil, as a result of which a mechanically stable structure of the squealer tip can be created.
  • the gravity curve runs on the front side of the airfoil tip through the gravity axes of cross-sectional areas of the airfoil that are perpendicular to the profile centerline.
  • a centroid is in particular the neutral fiber or the geometric central axis of such a cross-sectional area.
  • the airfoil centerline is the line connecting the centers of circles inscribed in an airfoil tip profile/airfoil section profile and is equidistant from the suction and pressure sides at each point.
  • the gravity curve extends in particular between the leading edge and the trailing edge of the blade tip and can be offset in an area facing the leading edge with respect to the profile center line towards the pressure side and/or in an area facing the trailing edge with respect to the profile center line towards the suction side.
  • vibration stresses at the blade tip can be reduced, as a result of which a risk of cracking in the area of the blade blade tip can be reduced and the vibration stress behavior of the blade blade can be improved.
  • the squealer tip is arranged on both sides of the gravity curve.
  • the squealer tip is designed, in particular over its entire height, in such a way that a centroid of the blade blade runs at at least one position of the centrifugal curve within a cross section of the squealer tip.
  • an embodiment of the squealer tip in which a flank is formed by a side wall of the blade leaf can be used to arrange the squealer tip on both sides of the gravity curve.
  • the squealer tip is thus arranged at least essentially centered around neutral fibers of the airfoil, as a result of which a reduction in vibration stress at the airfoil tip is made possible.
  • the squealer tip is arranged at least essentially symmetrically around the gravity curve, in particular in at least one area of its longitudinal extension.
  • the flanks of the squealer tip in particular at least in a region of its longitudinal extent, have an essentially symmetrical or symmetrical shape with respect to its center plane.
  • the flanks of the squealer tip can be designed parallel to one another over its height, in particular in at least one section, can be equally spaced in relation to a central axis of the squealer tip and/or a radius or a bevel in the transition from the blade blade cross section to the squealer Tip cross-section to be essentially the same.
  • the squealer tip is continuous, that is to say without interruption.
  • the squealer tip is designed to be particularly uniform or even invariant in its longitudinal extent between the front edge and the rear edge of the airfoil with respect to a width and/or height.
  • a cross-sectional width on the end face of the squealer tip can be designed to be uniform or even invariant. In this way, an improved sealing of the radial gap in the blade tip area can be achieved.
  • a height, a width and/or a flank geometry of the squealer tip can be variable over its course along the gravity curve in order to enable flexible adaptation to blade geometries and/or stress requirements.
  • a cross section of the squealer tip is smaller than a cross section of the airfoil tip.
  • a height of the squealer tip be greater than its width
  • the width of the squealer tip be greater than its height
  • the height and width of the squealer tip can be made substantially the same. Due to the reduction in cross section provided by the squealer tip, oscillating stresses in the blade tip area can be reduced, thereby enabling the blades to be able to withstand higher loads.
  • the invention also relates to an airfoil arrangement for a turbomachine, which has at least one airfoil described herein.
  • a blade arrangement comprises a rotor disk and a plurality of blade blades arranged radially thereon.
  • the blade blades are connected to the rotor disk in a form-fitting manner, or the blade blade arrangement has a plurality of blade blades which are integrally connected to the rotor disk in a materially bonded manner (blisk).
  • blisk materially bonded manner
  • the invention also relates to a compressor for a turbomachine with at least one blade blade configured as described herein and/or at least one blade blade arrangement described herein.
  • the compressor can be designed as a low-pressure compressor or a high-pressure compressor.
  • the invention also relates to a turbomachine with at least one blade leaf described herein and/or at least one blade leaf arrangement described herein.
  • the blades of several, preferably all, compressor or turbine stages are designed in a manner according to the invention.
  • a method for producing an airfoil for a turbomachine is proposed.
  • the centroids of the airfoil are determined as a function of a blade geometry.
  • a gravity curve at the blade tip is determined as a function of the gravity axes.
  • an arrangement of the squealer tip is determined as a function of the gravity curve determined, and in step d) the airfoil with the squealer tip is produced in accordance with the arrangement determined in step c).
  • a centroid or the neutral axis of a cross-sectional area of the blade that is perpendicular to the profile center line of the blade is determined. Based on a large number of centroids determined in this way in particular, a centroid curve can be determined in particular on the end face of the blade tip.
  • a course of the squealer tip at the blade tip, and in particular using further design criteria, for example its height, width and a flank geometry of the squealer tip can be determined on the basis of the determined gravity curve.
  • specifications regarding the placement and configuration of tapers or abrasions, in particular along or offset from the gravity curve, can be determined.
  • material may be removed from the blade tip to provide the squealer tip.
  • a use of an airfoil described herein in an airfoil arrangement and/or a compressor and/or a turbomachine is also the subject of the present disclosure.
  • the proposed design of the squealer tip can be used for all blade blades in a turbomachine that are exposed to oscillating stresses, in particular for turbine blade blades and also for cantilevered stators of the turbomachine.
  • the disclosure of the airfoil, airfoil assembly, compressor, and turbomachine described herein also applies to a corresponding method for designing or manufacturing an airfoil, and vice versa.
  • the characteristics and advantages of the various described above or below Exemplary aspects and exemplary embodiments can be combined unless explicitly stated otherwise.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a blade 10 for a turbomachine in a schematic representation.
  • the airfoil has a leading edge 11 and a trailing edge 12 which are connected by a suction side 13 and a pressure side 14 .
  • the blade 10 extends curved in at least one area from a blade root (not shown) to a blade tip 21. Such a curvature is indicated schematically by a geometric profile section change 15.
  • the blade tip 21 has a substantially continuously formed squealer tip 22, which is arranged along a gravity curve on the blade tip 21, the gravity curve running through the centroids of the blade 10 (cf. 2 ).
  • the squealer tip 22 has a cross section, in particular orthogonal to the profile center line, which is smaller than such a cross section of the blade tip 21.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the airfoil tip 21 of the airfoil 10.
  • FIG 1 The airfoil 10 extends between an upstream leading edge 11 and a trailing edge 12.
  • the airfoil 10 has a suction side 13 and an opposite pressure side 14.
  • a profile centerline 16 is equidistant at each location from the suction side 13 and pressure side 14 of the airfoil 10 profile.
  • a centroid curve K of blade 10 runs at blade tip 21 through centroids of cross-sectional areas Q of blade 10 perpendicular to profile center line 16.
  • Figures 3a to 3c 12 each show a schematic representation of three airfoil cross-sections of the exemplary curved airfoil 10 2 .
  • the airfoil 10 has the squealer tip 22 at its airfoil tip 21 with a suction-side flank 23 and a pressure-side flank 24 .
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the exemplary section AA of FIG 2 at a first centroid S A in a first region of the airfoil 10.
  • the squealer tip 22 has a height H, starting from an in particular unchanged blade cross-section up to the front end of the squealer tip 22 .
  • the squealer tip 22 has a width B, which is delimited by the suction-side flank 23 and the pressure-side flank 24 and is arranged in particular in an end region of the squealer tip 22, in which the suction-side flank 23 and the pressure-side flank 24 are at least Are formed substantially parallel to each other.
  • the squealer tip 22 is arranged on both sides of the centroid S A or the centroid K, with a suction-side taper 33 being arranged on the blade tip 21 of the blade 10 in order to form the suction-side flank 23 of the squealer tip 22 .
  • the pressure-side wall 14 of the airfoil 10 forms the pressure-side flank 24 of the squealer tip 22 .
  • the squealer tip 22 can be configured in this way in particular in a region facing the front edge 11 and/or at a distance from a turning point of the gravity curve K.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the exemplary section BB from FIG 2 on a second centroid axis S B in a second region of the airfoil 10.
  • the squealer tip 22 is arranged essentially symmetrically about the second centroid axis S B or about the centroid curve K.
  • the blade tip 21 has a taper 33, 34 on both the suction side and the pressure side, as a result of which the flanks 23, 24 of the squealer tip 22 are arranged offset inwards relative to a blade blade cross section.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of the exemplary section CC of FIG 2 at a third centroid S C in a third region of the airfoil 10.
  • the squealer tip 22 is also arranged on both sides of the centroid S C or the gravity curve K, with a pressure-side taper 34 being arranged at the airfoil tip 21 of the airfoil 10 in order to pressure-side flank 24 of the squealer tip 22 to form.
  • the suction side wall 13 of the airfoil 10 forms the suction-side flank 23 of the squealer tip 22 .
  • the squealer tip 22 can be configured in this way, in particular, in a region facing the trailing edge 12 and/or at a distance from a turning point of the gravity curve K.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a flowchart of an exemplary method 100 for designing or manufacturing an airfoil 10 for a turbomachine.
  • centroids S of the airfoil 10 are determined based on a blade geometry.
  • a gravity curve K at the blade tip 21 is determined as a function of the gravity axes S.
  • an arrangement of a squealer tip 22 is determined as a function of the determined gravity curve K, and in a step 104 the airfoil 10 is produced with a squealer tip 22 according to the arrangement determined in step 103.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt (10) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelblatts für eine Strömungsmaschine, aufweisend eine Vorderkante (11) und eine Hinterkante (12), welche durch eine Saugseite (13) und eine Druckseite (14) miteinander verbunden sind und welches sich in wenigstens einem Bereich gekrümmt von einem Schaufelblattfuß bis zu einer Schaufelblattspitze (21) erstreckt, wobei die Schaufelblattspitze (21) einen Squealer-Tip (22) aufweist, welcher an der Schaufelblattspitze (21) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Strömungsmaschine, aufweisend eine Vorderkante und eine Hinterkante, welche durch eine Saugseite und eine Druckseite miteinander verbunden sind und welches sich in wenigstens einem Bereich gekrümmt von einem Schaufelblattfuß bis zu einer Schaufelblattspitze erstreckt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Verdichter mit einem solchen Schaufelblatt sowie eine Strömungsmaschine.
  • Es ist bekannt, dass zu einer Reduzierung verschiedenartiger Strömungsverluste bei einer Auslegung eines dreidimensionalen Schaufelblatts beispielsweise ein Schaufelprofil, eine Neigung bzw. Biegung des Schaufelblatts in Umfangsrichtung oder eine Verdrehung des Schaufelblatts anwendbar sind. Zudem ist bekannt, dass Schaufelspitzen von Schaufelblättern in Strömungsmaschinen, beispielsweise von Laufschaufeln in Flugzeugtriebwerken, regelmäßig Schwingspannungen ausgesetzt sind. Diese Schwingspannungen können beispielsweise Risse entweder in einer spitzenseitigen Panzerung und/oder im Schaufelblattkörper hervorrufen. Zur Reduzierung von Schwingspannungen in den Schaufelspitzen ist bekannt, Schaufelspitzen gegenüber benachbarten Blattabschnitten querschnittsverjüngt auszubilden. Solche als "Squealer-Tip" bezeichnete Schaufelspitzen sind in vielfachen Ausführungen bekannt und können beispielsweise druckseitig oder saugseitig ausgebildet sein.
  • Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Schaufelblatt für eine Strömungsmaschine anzugeben, welches insbesondere ein verbessertes Schwingspannungsverhalten aufweist. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung ein Schaufelblatt für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen, welches eine Vorderkante und eine Hinterkante aufweist, welche durch eine Saugseite und eine Druckseite miteinander verbunden sind und welches sich in wenigstens einem Bereich gekrümmt von einem Schaufelblattfuß bis zu einer Schaufelblattspitze erstreckt. Die Schaufelblattspitze weist dabei einen Squealer-Tip auf, welcher entlang einer Schwerkurve an der Schaufelblattspitze angeordnet ist, wobei die Schwerkurve durch die Schwerachsen des Schaufelblatts verläuft.
  • Ein gekrümmter Bereich eines Schaufelblatts kann beispielsweise eine Krümmung, Biegung oder Neigung einer Druckseite bzw. einer Wandung der Druckseite oder einer Saugseite bzw. einer Wandung der Saugseite in einer Längs- und/oder Quererstreckung aufweisen. Eine solche Krümmung kann auf einer Verwindung oder Verdrehung des Schaufelblatts um eine seiner Achsen und/oder einer, insbesondere kontinuierlichen Änderung von Querschnittsprofilen des Schaufelblatts über dessen Höhe beruhen. Beispielsweise kann sich eine Profildicke des Schaufelblatts bei gleichbleibender Sehnenlänge ändern, voneinander beabstandete Querschnittsprofile können gegeneinander verdreht sein oder ein Kantenwinkel weist über die Schaufelblatthöhe eine Veränderung auf.
  • Ein Squealer-Tip ist insbesondere ein querschnittsverjüngter Bereich der Schaufelblattspitze, der beispielsweise durch eine saugseitige Verjüngung und/ oder eine druckseitige Verjüngung der Schaufelblattspitze gebildet sein kann. Eine solche Verjüngung kann insbesondere durch Abtragen von Material oder eine Einschnürung im Bereich der Schaufelblattspitze geschaffen werden, wobei ein davon abgewandter Bereich der Schaufelblattspitze unverändert verbleibt. Der Squealer-Tip weist eine Höhe in axialer Richtung des Schaufelblatts, eine Längserstreckung zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelblatts sowie eine Breite zwischen einer saugseitigen Flanke und einer druckseitigen Flanke des Squealer-Tips auf. Der Querschnitt in Bezug auf die Höhe und die Breite des Squealer-Tips bzw. die Größe(n) der jeweiligen Verjüngung(en) bestimmen sich aus der Geometrie und den Anforderungen an das Schaufelblatt insbesondere hinsichtlich auftretender Schwingspannungen im Betrieb. Die Auslegung eines Squealer-Tips in Hinblick auf dessen Querschnitt ist nicht Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung und wird entsprechend nur am Rande thematisiert.
  • Bei einer Ausführungsform kann in wenigstens einem Bereich einer Längserstreckung des Squealer-Tips, also entlang der Schaufelblattspitze, eine saugseitige Verjüngung in dem Schaufelblatt vorgesehen sein, wobei eine Druckseitenwandung des Schaufelblatts die druckseitige Flanke des Squealer-Tips ausbildet. Außerdem kann in wenigstens einem weiteren Bereich einer Längserstreckung des Squealer-Tips eine druckseitige Verjüngung in dem Schaufelblatt vorgesehen sein, wobei eine Saugseitenwandung des Schaufelblatts die saugseitige Flanke des Squealer-Tips ausbildet. Zudem kann in wenigstens einem weiteren Bereich einer Längserstreckung des Squealer-Tips zu dessen beiden Seiten eine Verjüngung vorgesehen sein, wodurch beide Flanken des Squealer-Tips, wenigstens in einem der Squealer-Tip-Stirnseite zugewandten Abschnitt, in Bezug auf die Schaufelblattwandungen nach innen versetzt sind. Die Squealer-Tip-Stirnseite bildet dabei die äußerste Schaufelblattspitze.
  • Eine oder beide Flanken des Squealer-Tips kann/ können in einem an eine der Wandungen des Schaufelblatts angrenzenden Abschnitt eine Verrundung insbesondere in Form einer Konkavfläche aufweisen, insbesondere einen Radius, wodurch eine mechanisch stabile Struktur des Squealer-Tips geschaffen werden kann.
  • Die Schwerkurve verläuft an der Stirnseite der Schaufelblattspitze durch Schwerachsen von senkrecht auf der Profilmittellinie stehenden Querschnittsflächen des Schaufelblatts. Eine Schwerachse ist insbesondere die neutrale Faser bzw. die geometrische Mittelachse einer solchen Querschnittsfläche. Die Profilmittellinie ist die Verbindungslinie der in ein Profil der Schaufelblattspitze/ einen Profilschnitt des Schaufelblatts einbeschriebenen Kreismittelpunkte und weist an jedem Punkt den gleichen Abstand zu Saugseite und Druckseite auf. Die Schwerkurve erstreckt sich insbesondere zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufelblattspitze und kann in einem der Vorderkante zugewandten Bereich bezüglich der Profilmittellinie zur Druckseite hin und/oder in einem der Hinterkante zugewandten Bereich bezüglich der Profilmittellinie zur Saugseite hin versetzt angeordnet sein.
  • Durch die Anordnung des Squealer-Tips entlang der Schwerkurve können Schwingspannungen an der Schaufelspitze verringert werden, wodurch ein Rissrisiko im Bereich der Schaufelblattspitze verringert werden und das Schwingspannungsverhalten des Schaufelblatts verbessert werden kann.
  • Bei einer Ausführungsform des Schaufelblatts ist der Squealer-Tip beidseitig der Schwerkurve angeordnet. Insbesondere ist der Squealer-Tip, insbesondere über dessen gesamte Höhe, derart ausgebildet, dass eine Schwerachse des Schaufelblatts an wenigstens einer Position der Schwerkurve innerhalb eines Querschnitts des Squealer-Tips verläuft. Insbesondere in einem Bereich, in welchem die Schwerkurve in einem saug- oder druckseitigen Randbereich angeordnet ist, kann eine Ausführung des Squealer-Tips, bei welcher eine Flanke durch eine Seitenwandung des Schaufelblatts gebildet ist, genutzt werden, um den Squealer-Tip beidseitig zu der Schwerkurve anzuordnen. Damit ist der Squealer-Tip wenigstens im Wesentlichen um neutrale Fasern des Schaufelblatts zentriert angeordnet, wodurch eine Schwingspannungsreduktion an der Schaufelblattspitze ermöglicht ist.
  • Bei einer Ausführungsform des Schaufelblatts ist der Squealer-Tip, insbesondere in wenigstens einem Bereich seiner Längserstreckung, wenigstens im Wesentlichen symmetrisch um die Schwerkurve angeordnet. Insbesondere weisen dabei die Flanken des Squealer-Tips, insbesondere wenigstens in einem Bereich seiner Längserstreckung, in Bezug auf dessen Mittelebene eine im Wesentlichen symmetrische oder eine symmetrische Ausprägung auf. Beispielsweise können die Flanken des Squealer-Tips über dessen Höhe, insbesondere in wenigstens einem Abschnitt, parallel zueinander ausgebildet sein, in Bezug auf eine Mittelachse des Squealer-Tips gleich beabstandet sein und/ oder ein Radius oder eine Schräge im Übergang von Schaufelblattquerschnitt zu Squealer-Tip-Querschnitt im Wesentlichen gleich sein.
  • Bei einer Ausführungsform des Schaufelblatts ist der Squealer-Tip kontinuierlich, also unterbrechungsfrei ausgebildet. Insbesondere ist der Squealer-Tip in seiner Längserstreckung zwischen Vorderkante und Hinterkante des Schaufelblatts in Bezug auf eine Breite und/ oder Höhe insbesondere gleichmäßig oder sogar invariant ausgebildet. Hierbei kann insbesondere eine Querschnittsbreite an der Stirnseite des Squealer-Tips gleichmäßig oder sogar invariant ausgebildet sein. Hierdurch kann eine verbesserte Radialspaltabdichtung im Schaufelblattspitzenbereich erreicht werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann eine Höhe, eine Breite und/ oder eine Flankengeometrie des Squealer-Tips über dessen Verlauf entlang der Schwerkurve veränderlich ausgebildet sein, um eine flexible Anpassung an Schaufelgeometrien und/ oder Spannungsanforderungen zu ermöglichen.
  • Bei einer Ausführungsform des Schaufelblatts ist ein Querschnitt des Squealer-Tips kleiner als ein Querschnitt der Schaufelblattspitze. Hierbei kann beispielsweise eine Höhe des Squealer-Tips größer als dessen Breite sein, die Breite des Squealer-Tips größer als dessen Höhe sein oder die Höhe und die Breite des Squealer-Tips können im Wesentlichen gleich ausgebildet sein. Durch die mittels des Squealer-Tips bereitgestellte Querschnittsverringerung können Schwingspannungen im Schaufelblattspitzenbereich reduziert werden, wodurch eine höhere Belastbarkeit der Schaufeln ermöglicht ist.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Schaufelblattanordnung für eine Strömungsmaschine, welche wenigstens ein hierin beschriebenes Schaufelblatt aufweist. Eine Schaufelblattanordnung umfasst dabei eine Rotorscheibe und eine Mehrzahl daran radial angeordnete Schaufelblätter. Insbesondere sind hierbei die Schaufelblätter formschlüssig mit der Rotorscheibe verbunden oder die Schaufelblattanordnung weist mehrere einstückig stoffschlüssig mit der Rotorscheibe verbundene Schaufelblätter auf (Blisk). Eine derartige Ausgestaltung der Schaufelblattanordnung ermöglicht eine höhere mechanische Belastbarkeit und kann zu einer besseren aerodynamischen Effizienz der Schaufelblattanordnung beitragen.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Verdichter für eine Strömungsmaschine mit wenigstens einem wie hierin beschrieben ausgebildeten Schaufelblatt und/ oder wenigstens einer hierin beschriebenen Schaufelblattanordnung. Der Verdichter kann hierbei als Niederdruckverdichter oder Hochdruckverdichter ausgebildet sein.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine mit wenigstens einem hierin beschriebenen Schaufelblatt und/ oder wenigstens einer hierin beschriebenen Schaufelblattanordnung. In einer Ausführungsform sind die Schaufelblätter mehrerer, vorzugsweise aller, Verdichter- bzw. Turbinenstufen in erfindungsgemäßer Weise ausgestaltet.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schaufelblatts für eine Strömungsmaschine vorgeschlagen. In einem ersten Schritt a) werden dabei die Schwerachsen des Schaufelblatts in Abhängigkeit einer Schaufelgeometrie ermittelt. In einem Schritt b) wird eine Schwerkurve an der Schaufelblattspitze in Abhängigkeit der Schwerachsen bestimmt. Im Schritt c) wird eine Anordnung des Squealer-Tips in Abhängigkeit der bestimmten Schwerkurve bestimmt und im Schritt d) wird das Schaufelblatt mit dem Squealer-Tip gemäß der im Schritt c) bestimmten Anordnung hergestellt.
  • Dabei wird, basierend auf einer vorbestimmten Schaufelblattgeometrie, welche insbesondere wenigstens eine Krümmung aufweist, eine Schwerachse bzw. die neutrale Faser einer senkrecht auf der Profilmittellinie des Schaufelblatts stehenden Querschnittsfläche des Schaufelblatts ermittelt. Basierend auf einer Vielzahl von insbesondere auf diese Weise ermittelten Schwerachsen kann eine Schwerkurve insbesondere an der Stirnseite der Schaufelblattspitze bestimmt werden.
  • Anhand der bestimmten Schwerkurve kann ein Verlauf des Squealer-Tips an der Schaufelblattspitze, und insbesondere unter Anwendung weiterer Auslegungskriterien beispielsweise dessen Höhe, Breite und eine Flankengeometrie des Squealer-Tips bestimmt werden. Insbesondere können Vorgaben bezüglich einer Platzierung und Ausgestaltung von Verjüngungen oder Abtragungen, insbesondere entlang oder versetzt zu der Schwerkurve, bestimmt werden.
  • Beim Herstellen des Schaufelblatts kann Material in Abhängigkeit von der festgelegten Anordnung und/ oder Geometrie von der Schaufelspitze abgetragen werden, um den Squealer-Tip bereitzustellen.
  • Eine Verwendung eines hierin beschriebenen Schaufelblatts in einer Schaufelblattanordnung und/ oder einem Verdichter und/ oder einer Strömungsmaschine ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Offenbarung. Neben einem vorgeschlagenen Einsatz des Schaufelblatts in einem Verdichter einer Strömungsmaschine ist die vorgeschlagene Gestaltung des Squealer-Tips für alle Schwingspannungen ausgesetzten Schaufelblätter in einer Strömungsmaschine anwendbar, insbesondere für Turbinenschaufelblätter und auch für freikragende Statoren der Strömungsmaschine.
  • Im Allgemeinen gilt die Offenbarung des hierin beschriebenen Schaufelblatts, der Schaufelblattanordnung, des Verdichters und der Strömungsmaschine auch für ein entsprechendes Verfahren zur Auslegung oder zur Herstellung eines Schaufelblatts und umgekehrt. Die Merkmale und Vorteile der verschiedenen oben oder unten beschriebenen beispielhaften Aspekte und Ausführungsbeispiele können kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Schaufelblatts für eine Strömungsmaschine;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines Profils eines beispielhaften erfindungsgemäßen Schaufelblatts für eine Strömungsmaschine;
    Fig. 3a bis 3c
    schematische Darstellungen dreier Schaufelblattquerschnitte eines beispielhaften erfindungsgemäßen Schaufelblatts; und
    Fig. 4
    eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Schaufelblatts für eine Strömungsmaschine.
  • Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Schaufelblatts 10 für eine Strömungsmaschine in einer schematischen Darstellung. Das Schaufelblatt weist eine Vorderkante 11 und eine Hinterkante 12 auf, welche durch eine Saugseite 13 und eine Druckseite 14 miteinander verbunden sind. Dabei erstreckt sich das Schaufelblatt 10 in wenigstens einem Bereich gekrümmt von einem nicht dargestellten Schaufelblattfuß bis zu einer Schaufelblattspitze 21. Eine solche Krümmung ist schematisch durch eine geometrische Profilschnittänderung 15 angedeutet.
  • Die Schaufelblattspitze 21 weist einen im Wesentlichen kontinuierlich ausgebildeten Squealer-Tip 22 auf, welcher entlang einer Schwerkurve an der Schaufelblattspitze 21 angeordnet ist, wobei die Schwerkurve durch die Schwerachsen des Schaufelblatts 10 verläuft (vgl. Fig. 2). Hierbei weist der Squealer-Tip 22 einen Querschnitt, insbesondere orthogonal zu der Profilmittelline, auf, der kleiner ist als ein solcher Querschnitt der Schaufelblattspitze 21.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Schaufelblattspitze 21 des Schaufelblatts 10 aus Fig. 1. Das Schaufelblatt 10 erstreckt sich zwischen einer anströmungsseitigen Vorderkante 11 und einer Hinterkante 12. Das Schaufelblatt 10 weist eine Saugseite 13 und eine gegenüberliegende Druckseite 14 auf.
  • Eine Profilmittellinie 16 hat an jeder Stelle zur Saugseite 13 und zur Druckseite 14 des Profils des Schaufelblatts 10 den gleichen Abstand. Eine Schwerkurve K des Schaufelblatts 10 verläuft an der Schaufelblattspitze 21 durch Schwerachsen von senkrecht auf der Profilmittellinie 16 stehenden Querschnittsflächen Q des Schaufelblatts 10.
  • Fig. 3a bis 3c zeigen jeweils eine schematische Darstellung dreier Schaufelblattquerschnitte des beispielhaften gekrümmten Schaufelblatts 10 aus Fig. 2. Das Schaufelblatt 10 weist an seiner Schaufelblattspitze 21 den Squealer-Tip 22 mit einer saugseitigen Flanke 23 und einer druckseitigen Flanke 24 auf.
  • Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung des beispielhaften Schnitts A-A aus Fig. 2 an einer ersten Schwerachse SA in einem ersten Bereich des Schaufelblatts 10. In Fig. 3a ist erkennbar, dass der Squealer-Tip 22 eine Höhe H ausgehend von einem insbesondere unveränderten Schaufelblattquerschnitt bis zu dem stirnseitigen Ende des Squealer-Tips 22 aufweist. Ferner weist der Squealer-Tip 22 eine Breite B auf, welche von der saugseitigen Flanke 23 und der druckseitigen Flanke 24 begrenzt und insbesondere in einem Endbereich des Squealer-Tips 22 angeordnet ist, in dem die saugseitige Flanke 23 und die druckseitige Flanke 24 wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander ausgebildet sind.
  • Der Squealer-Tip 22 ist beidseitig der Schwerachse SA bzw. der Schwerkurve K angeordnet, wobei eine saugseitige Verjüngung 33 an der Schaufelblattspitze 21 des Schaufelblatts 10 angeordnet ist, um die saugseitige Flanke 23 des Squealer-Tips 22 zu bilden. Die Druckseitenwandung 14 des Schaufelblatts 10 bildet die druckseitige Flanke 24 des Squealer-Tips 22 aus. Insbesondere in einem der Vorderkante 11 zugewandten und/oder von einem Wendepunkt der Schwerkurve K beabstandeten Bereich kann der Squealer-Tip 22 derart ausgebildet sein.
  • Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung des beispielhaften Schnitts B-B aus Fig. 2 an einer zweiten Schwerachse SB in einem zweiten Bereich des Schaufelblatts 10. Hierbei ist der Squealer-Tip 22 im Wesentlichen symmetrisch um die zweite Schwerachse SB bzw. um die Schwerkurve K angeordnet. Die Schaufelblattspitze 21 weist sowohl saug- als auch druckseitig eine Verjüngung 33, 34 auf, wodurch die Flanken 23, 24 des Squealer-Tips 22 relativ zu einem Schaufelblattquerschnitt nach innen versetzt angeordnet sind.
  • Fig. 3c zeigt eine schematische Darstellung des beispielhaften Schnitts C-C aus Fig. 2 an einer dritten Schwerachse SC in einem dritten Bereich des Schaufelblatts 10. Der Squealer-Tip 22 ist weiterhin beidseitig der Schwerachse SC bzw. der Schwerkurve K angeordnet, wobei eine druckseitige Verjüngung 34 an der Schaufelblattspitze 21 des Schaufelblatts 10 angeordnet ist, um die druckseitige Flanke 24 des Squealer-Tips 22 zu bilden. Die Saugseitenwandung 13 des Schaufelblatts 10 bildet die saugseitige Flanke 23 des Squealer-Tips 22 aus. Insbesondere in einem der Hinterkante 12 zugewandten und/oder von einem Wendepunkt der Schwerkurve K beabstandeten Bereich kann der Squealer-Tip 22 derart ausgebildet sein.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften Verfahrens 100 zur Auslegung bzw. Herstellung eines Schaufelblatts 10 für eine Strömungsmaschine.
  • In einem ersten Schritt 101 werden Schwerachsen S des Schaufelblatts 10 ausgehend von einer Schaufelgeometrie ermittelt. In Abhängigkeit der Schwerachsen S wird in einem Schritt 102 eine Schwerkurve K an der Schaufelblattspitze 21 bestimmt. In einem weiteren Schritt 103 wird eine Anordnung eines Squealer-Tips 22 abhängig von der bestimmten Schwerkurve K bestimmt und in einem Schritt 104 wird das Schaufelblatt 10 mit einem Squealer-Tip 22 gemäß der im Schritt 103 bestimmten Anordnung hergestellt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Schaufelblatt
    11
    Vorderkante
    12
    Hinterkante
    13
    Saugseite
    14
    Druckseite
    15
    Profilschnitt
    16
    Profilmittellinie
    21
    Schaufelblattspitzen
    22
    Squealer-Tip
    23
    saugseitige Flanke
    24
    druckseitige Flanke
    K
    Schwerkurve
    S
    Schwerachse
    Q
    Querschnittsfläche

Claims (9)

  1. Schaufelblatt (10) für eine Strömungsmaschine, aufweisend eine Vorderkante (11) und eine Hinterkante (12), welche durch eine Saugseite (13) und eine Druckseite (14) miteinander verbunden sind und welches sich in wenigstens einem Bereich gekrümmt von einem Schaufelblattfuß bis zu einer Schaufelblattspitze (21) erstreckt,
    wobei die Schaufelblattspitze (21) einen Squealer-Tip (22) aufweist, welcher entlang einer Schwerkurve (K) an der Schaufelblattspitze (21) angeordnet ist, wobei die Schwerkurve (K) durch die Schwerachsen (S) des Schaufelblatts (10) verläuft.
  2. Schaufelblatt (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Squealer-Tip (22) beidseitig der Schwerkurve (K) angeordnet ist.
  3. Schaufelblatt (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Squealer-Tip (22) wenigstens im Wesentlichen symmetrisch um die Schwerkurve (K) angeordnet ist.
  4. Schaufelblatt (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Squealer-Tip (22) kontinuierlich ausgebildet ist.
  5. Schaufelblatt (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des Squealer-Tips (22) kleiner ist als ein Querschnitt der Schaufelblattspitze (21).
  6. Schaufelblattanordnung für eine Strömungsmaschine, gekennzeichnet durch wenigstens ein Schaufelblatt (10) nach Anspruch 1 bis 5.
  7. Verdichter für eine Strömungsmaschine, gekennzeichnet durch wenigstens ein Schaufelblatt (10) nach Anspruch 1 bis 5 und/oder wenigstens einer Schaufelblattanordnung nach Anspruch 6.
  8. Strömungsmaschine gekennzeichnet durch wenigstens ein Schaufelblatt (10) nach Anspruch 1 bis 5 und/ oder wenigstens eine Schaufelblattanordnung nach Anspruch 6 und/ oder einen Verdichter nach Anspruch 7.
  9. Verfahren (100) zum Herstellen eines Schaufelblatts (10) für eine Strömungsmaschine, aufweisend die folgenden Schritte:
    a) Ermitteln (101) der Schwerachsen (S) des Schaufelblatts (10) in Abhängigkeit einer Schaufelgeometrie;
    b) Bestimmen (102) einer Schwerkurve (K) an einer Schaufelblattspitze (21) in Abhängigkeit der Schwerachsen (S);
    c) Bestimmen (103) einer Anordnung eines Squealer-Tips (22) in Abhängigkeit der bestimmten Schwerkurve (K); und
    d) Herstellen des Schaufelblatts (10) mit einem Squealer-Tip (22) gemäß der im Schritt c) bestimmten Anordnung.
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