DE4212880A1 - Verstellbares leitgitter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Profilierung von verstellbaren Leit­ schaufeln eines Leitgitters gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aus der DE-AS 10 41 739 ist bereits ein Leitgitter der gattungs­ gemäßen Art mit verstellbaren Leitschaufeln bekannt.

Das Leitgitter ist Teil eines Leitschaufelkranzes und besteht aus mehreren geteilten Leitschaufeln, die in einem ringförmigen Kanal angeordnet sind. Die feststehenden Leitschaufelteile sind anströmseitig und die schwenkbare Leitschaufelteile abström­ seitig in dem Leitschaufelkranz angeordnet, wobei die Dicke von feststehenden und schwenkbaren Leitschaufelteilen in etwa gleich ist.

Ferner sind aus der DE-OS 18 15 291 verstellbare, geteilte Leitschaufeln bekannt, deren feststehende, anströmseitig ange­ ordnete Leitschaufelteile dünner sind, als deren schwenkbare, abströmseitig angeordnete Leitschaufelteile.

Leitschaufelkränze der bekannten Art zeigen jedoch eine durch den Drall der Strömung entstehende, ausgeprägte Neigung zur Strömungsablösung an der Nabe (Nabentotwasser) innerhalb des Leitgitterbereiches und können wegen dieser Eigenschaft nur bis zu gewissen maximalen Schwenkwinkelbereichen der Leitschaufeln ohne unverhältnismäßig große Verluste eingesetzt werden.

Bekannte verstellbare, geteilte Leitschaufeln, bei denen die Dicke von feststehendem und schwenkbarem Leitschaufelteil in etwa gleich ist, können nur für relativ kleine Schwenkwinkel eingesetzt werden, da für größere Schwenkwinkel ein die Strö­ mungsablösung begünstigender, relativ starker konvexer Knick auf der Saugseite des Profils entsteht.

Wenn die Dicke des schwenkbaren Leitschaufelteils größer ist als jene des feststehenden Leitschaufelteils, können bei ent­ sprechender Profilierung durch die geänderten Geometrie-Bedin­ gungen damit zwar größere Schwenkwinkel erzielt werden, ohne daß ein konvexer Knick an der Saugseite der Leitschaufel ent­ steht, jedoch haben diese Leitschaufeln aufgrund ihres eher dünnen, anströmseitigen Profils und der dadurch entstehenden relativ scharfen Profil-Vorderkante eine hohe Empfindlichkeit gegen Strömungsablösung im Profilnasenbereich des feststehenden Leitschaufelteils bei ungleichmäßiger Anströmung oder einem zu großen Anstellwinkel der Strömung zum feststehenden Leitschau­ felteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes verstellbares Leitgitter für Strömungsmaschinen so auszubilden, daß auch für große schwenkwinkelbereiche der Leitschaufeln die Strömungsverluste gering sind und daß gleichzeitig die Ablö­ seneigung der Strömung im Profilnasenbereich des feststehenden Leitschaufelteils im Falle einer ungleichmäßigen Anströmung oder eines zu großen Anstellwinkels der Strömung zum festste­ henden Leitschaufelteil relativ gering ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches gegebenen Merkmale gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung des verstellbaren Leitgitters liegt darin, daß die Ablöseneigung auf der Saugseite der Leitschaufeln, speziell bei großen Schwenkwinkeln der schwenkbaren Leitschaufelteile, wesentlich reduziert wird.

Dadurch, daß der feststehende, anströmseitig angeordnete Leit­ schaufelteil erfindungsgemäß immer dicker als der schwenkbare Leitschaufelteil ist, kann das Profil des feststehenden Leit­ schaufelteils mit einem relativ schwächer gekrümmten Nasenbe­ reich realisiert werden, wodurch die Neigung zur Strömungsab­ lösung bei ungleichmäßiger Zuströmung oder bei größeren An­ stellwinkeln der Zuströmung relativ zum feststehenden Leit­ schaufeiteil verringert wird.

Durch den relativ schwächer gekrümmten Nasenbereich können auch verhältnismäßig niedrige Anströmgeschwindigkeiten, beispiels­ weise für Verdichter-Vorleitgitter, zugelassen werden.

Bei den erfindungsgemäß profilierten Leitschaufeln entsteht für Schwenkwinkel α, die kleiner sind als der vorgesehene maximale Schwenkwinkel α_max, in dem Bereich zwischen dem feststehenden und dem schwenkbaren Leitschaufelteil eine leicht konkave Kon­ tur für die Strömung, weshalb sich die Strömung nach dem Abriß an der Hinterkante des feststehenden Leitschaufelteils sofort wieder an die Kontur des schwenkbaren Leitschaufelteils anlegt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verringerung der Neigung zur Strömungsablösung auf der Saugseite der Leitschaufeln kann ein wesentlich größerer Schwenkwinkelbereich der Leitschaufeln ohne unverhältnismäßig hohe Druckverluste er­ reicht und damit eine Regelung durch Verschwenken der schwenk­ baren Leitschaufelteile über eine größere Bandbreite erzielt werden.

Um eine Ablösung der Strömung auf der Saugseite der Leitschaufeln zwischen festen und schwenkbaren Leitschaufelteilen zu vermeiden, sind die Leitschaufeln nach den Ansprüchen 2 und 3 erfindungsgemäß so profiliert, daß auf der Saugseite der Leit­ schaufeln in der maximalen Schwenkstellung der schwenkbaren Leitschaufelteile eine durchgehende, strömungsgünstige Kurve ohne Knick entsteht.

Zu diesem Zweck ist der feststehende Teil der Leitschaufeln so ausgebildet, daß bei vollem Ausschlag des dahinter liegenden schwenkbaren Teils am Übergang vom festen zum schwenkbaren Teil kein konvexer (die Strömungsablösung begünstigender) Kontur­ knick entsteht.

Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Hinterkanten der Ober-und Unterseite des feststehenden Leitschaufelteils einen Winkel ϕ von der Größenordnung des maximalen Schwenkwinkels α_max des schwenkbaren Seitschaufelteils bilden.

Die Bildung eines solchen Winkels zwischen den Hinterkanten- Neigungen in strömungsgünstiger Weise wird erst dadurch mög­ lich, daß der feststehende Leitschaufelteil erfindungsgemäß dicker ist als der schwenkbare Leitschaufelteil.

Dabei ist das Dickenverhältnis d = d_f/d_s um so größer, je grö­ ßer der Schwenkwinkel α_max der schwenkbaren Leitschaufelteile ist.

δ = 1 + k _* |α_max| [-]

mit

δ = d_f/d_s Dickenverhältnis [-]
k = Konstante (k = 0,005 bis 0,5) [1/°]
α_max = maximaler Schwenkwinkel in Grad [°] (siehe Fig. 3)

liefert mit einem Wert für k von z. B. 0,1 etwa günstige Dicken­ verhältnisse δ ≈ 1,3 für Schwenkwinkel α_max = 30° und δ ≈ 1,9 für Schwenkwinkel α_max ≈ 90°.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 kann die Ausformung des Spaltes zwischen den beiden Leitschaufelteilen entweder so gewählt werden, daß eine weit­ gehende Abdichtung des Spaltes erfolgt, oder, auch beispiels­ weise in Verbindung mit einer Grenzschichtabsaugung, der Spalt wird bewußt so groß gewählt, daß eine Spaltströmung, die durch den Druckausgleich zwischen Ober- und Unterseite der Leitschau­ feln entsteht, zugelassen wird.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meridianschnitt eines erfindungsgemäßen verstellbaren Leitgitters in einer Anordnung in einem Leitschaufelkranz,

Fig. 2 ein symmetrisches Profil einer geteilten Schaufel des verstellbaren Leitgitters mit einem festste­ henden und einem schwenkbaren Schaufelteil mit Darstellung der maximalen Schwenklagen der Schau­ fel für einen maximalen Schwenkwinkel α_max von 60° und

Fig. 3 ein asymmetrisches Profil analog zu Fig. 2 für einen maximalen Schwenkwinkel α_max von 90°,

Fig. 4 den qualitativen Verlauf der Strömungsverluste in Abhängigkeit des Schwenkwinkels des schwenkbaren Teils der Leitschaufeln für ein konventionelles Leitgitter in einem Vergleich mit dem erfindungs­ gemäßen Leitgitter.

Fig. 1 zeigt einen Meridianschnitt eines Leitschaufelkranzes 1 in einer Anordnung vor einem nur teilweise dargestellten Radi­ alverdichter 2 eines nicht näher ausgeführten Turbinentrieb­ werkes. Der Leitschaufelkranz 1 besteht aus einem Gehäuse 3, einer Habe 4 mit einer Nabenlängsachse 5 und mehreren radialen Nabenachsen 6 und aus einem Leitschaufelgitter mit mehreren Leitschaufeln 7 in einem ringförmigen Kanal 8.

Die Leitschaufeln 7 sind geteilt (Spalt 22) und bestehen aus bezüglich des Leitschaufelkranzes 1 feststehenden Leitschau­ felteilen 9 und aus um die radialen Nabenachsen 6 des Leit­ schaufelkranzes 1 schwenkbaren Leitschaufelteilen 10.

Die feststehenden Leitschaufelteile 9 der Leitschaufeln 7 sind anströmseitig, die schwenkbaren Leitschaufelteile 10 der Leit­ schaufeln 7 sind abströmseitig in dem Leitschaufelkranz 1 an­ geordnet.

Um die mit größer werdendem Schwenkwinkel α (siehe Fig. 3) des schwenkbaren Leitschaufelteils 10 größer werdende Neigung zur Strömungsablösung zu verringern, weist der ringförmige Kanal 8 im Bereich der schwenkbaren Leitschaufelteile 10 einen sich in Strömungsrichtung 21 verjüngenden Querschnitt 25 auf. Diese Verjüngung wird dadurch erzielt, daß gleichzeitig sowohl der Abstand der Kontur 11 der Habe 4 von der Nabenlängsachse 5 vergrößert, als auch der Abstand der Kontur 18 des Gehäuses 3 zur Nabenlängsachse 5 verringert wird.

In Fig. 2 und 3 (Schnitt II-II aus Fig. 1) sind zwei mögliche Profile einer der geteilten Leitschaufeln 7 des Leitschaufel­ kranzes 1 vergrößert dargestellt. Der feststehende Leitschau­ felteil 9 ist mit dem Leitschaufelkranz 1 fest verbunden, der schwenkbare Leitschaufelteil 10 ist drehbar um die radiale Na­ benachse 6 gelagert. Die durchgezogene Darstellung des schwenk­ baren Leitschaufelteils 10 zeigt diesen in nicht geschwenktem Zustand. Der Winkel Φ zwischen der Neigung von Ober- und Unter­ seite an den Hinterkanten 23 der feststehenden Leitschaufel­ teile 9 ist in etwa gleich dem maximalen Schwenkwinkel α_max der schwenkbaren Leitschaufelteile 10.

Die Aussparung 24 an der Rückseite des feststehenden Leitschau­ felteils 9 und die der Aussparung 24 unmittelbar zugewandte Seite 28 des schwenkbaren Leitschaufelteils 10 bilden einen Spalt 22, wobei Form und Größe des Spaltes 22 von α und der Lage der Schwenkachse (radiale Nabenachse 6) abhängig ist.

Ausgehend von der Darstellung in Fig. 2 mit symmetrischer Ver­ schwenkung des schwenkbaren Leitschaufelteils 10 ist mit α/2 jeweils der halbe Schwenkwinkel des maximalen Schwenkwinkels α_max bezeichnet, wobei die strichlierten Darstellungen 25, 26 die Endlagen (also nach Schwenkung um den Winkel α/2) des schwenkbaren Leitschaufelteils 10 darstellen.

Der Wert von k nach der oben angegebenen, erfindungsgemäßen Formel (δ = 1 + k * |α_max|) beträgt 0,1 und der maximale Schwenkwinkel α_max ist 60°. Damit ergibt sich ein Dickenver­ hältnis δ von 1,3.

Der feststehende, symmetrische Leitschaufelteil 9 hat, bis auf eine Aussparung 24 am hinteren Ende zur Aufnahme des schwenk­ baren Leitschaufelteils 10, etwa die Form einer Ellipse, die quer zur Strömung umso dicker sein muß, je größer der maximale Schwenkwinkel α_max ist (vgl. hierzu α_max und d_f in Fig. 3). Ihre Dicke d_f ist so, daß bei den maximalen Schwenkstellungen α/2 jeweils auf der Saugseite des Profils eine durchgehende, strömungsgünstige Kurve, insbesondere ohne konvexen Knick, ge­ geben ist.

In Fig. 3 ist die Möglichkeit der asymmetrischen Verschwenkung des schwenkbaren Leitschaufelteils 10 und der zugehörige feste Leitschaufelteil 9 dargestellt.

Falls für die Anpassung des Dralls, also der Stärke von Mit­ drall und Gegendrall der aus dem Leitschaufelkranz 1 austre­ tenden Strömung bezüglich der Drehrichtung eines auf den Leit­ schaufelkranz 1 nachfolgenden Laufrades, unterschiedliche maximale Schwenkwinkel α′_max (für Gegendrall) und α′′_max (für Mitdrall) der schwenkbaren Leitschaufelteile 10 erforderlich sind, muß das Profil des feststehenden Leitschaufelteils 9 asymmetrisch sein. Dabei gelangt der schwenkbare Leitschaufel­ teil 10 bei Verschwenkung in Richtung des mit α′ bezeichneten Winkels in die Endstellung 25 (α′_max) und bei Verschwenkung in Richtung des mit α′′ bezeichneten Winkels in die Endstellung 26 (α′′_max). Beide Endstellungen 25 und 26 sind auch hier strich­ liert gezeichnet.

Der Wert von k nach der oben angegebenen, erfindungsgemäßen Formel (δ = 1 + k * |α_max|) hat wie in Fig. 2 den Wert 0,1 Der maximale Schwenkwinkel α_max ist hier jedoch 90°, wodurch sich ein Dickenverhältnis 6 von 1,9 ergibt.

Der feststehende, asymmetrische Leitschaufelteil 9 hat, bis auf eine Aussparung 24 am hinteren Ende zur Aufnahme des schwenk­ baren Leitschaufelteils 10, etwa die Form zweier im Bereich 20 kontinuierlich ineinander übergehender Ellipsenbögen 12 und 13 von Ellipsen mit unterschiedlichen Brennpunkten.

Die Dicke d_f und die Form des Profils ist so ausgelegt, daß bei den maximalen Schwenkstellungen α′_max und α′′_max jeweils auf der Saugseite des Profils eine durchgehende, strömungsgünstige Kurve, insbesondere ohne konvexen Knick, gegeben ist.

Für Schwenkwinkel, die nicht den jeweils vorgesehenen maximalen Schwenkwinkel α_max der schwenkbaren Leitschaufelteile 10 er­ reichen, entsteht in einem Bereich 27 zwischen den Leitschau­ felteilen 9 und 10 somit eine leicht konkave Kontur für die Strömung. Dies ist jedoch nicht kritisch, da sich die Strömung nach dem Abriß im Bereich der Hinterkanten 23 des feststehenden Leitschaufelteils 9 sofort wieder an die Kontur des schwenk­ baren Leitschaufelteils 10 anlegt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Profil des schwenkbaren Leitschaufelteils auch asymmetrisch sein.

In Fig. 4 ist der qualitative Verlauf der Strömungsverluste (in %) in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel α der Leitschaufeln dar­ gestellt. Die Kurve A zeigt die Strömungsverluste in einem konventionellen Leitgitter mit herkömmlicher Profilierung der Leitschaufeln, während Kurve B die Strömungsverluste für das Leitgitter mit den erfindungsgemäß profilierten Leitschaufeln darstellt.

Man sieht, daß der maximale Schwenkwinkel α_1max, ab dem die Verluste extrem ansteigen (Bereich a), bei einem erfindungs­ gemäßen Leitgitter in Richtung größerer Schwenkwinkel α_2max (Bereich b) um Δα_max verschoben wird.

Das erfindungsgemäße Leitgitter muß nicht unbedingt in einem sich verjüngenden Kanal angeordnet sein. Der Kanal kann im Be­ reich der Leitschaufeln auch einen konstanten Querschnitt auf­ weisen, was eine einfachere Fertigung des Leitschaufelkranzes erlaubt. Die Vorteile der besonders profilierten Leitschaufeln können bei dieser Bauart des Leitschaufelkranzes auch weiterhin genutzt werden.

Claims (4)

1. Verstellbares Leitgitter, insbesondere für axiale Verdich­ tervorleitgitter, dessen Leitschaufeln aus einem feststehenden, anströmseitig angeordneten Leitschaufelteil und einem schwenk­ baren, abströmseitig angeordneten Leitschaufelteil bestehen, wobei die Leitschaufelteile eine unterschiedliche Dicke auf­ weisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d_f) des Profils des feststehenden Leitschaufel­ teils (9) größer ist als die Dicke (d_s) des Profils des schwenkbaren Leitschaufelteils (10).

2. Verstellbares Leitgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der Dicke (d_f) des Profils des festste­ henden Leitschaufelteils (9) und der Dicke (d_s) des Profils des schwenkbaren Leitschaufelteils (10) der Formel δ = 1 + k _* |α_max| [-]mitδ = d_f/d_s Dickenverhältnis [-]
k = Konstante (k = 0,005 bis 0,5) [1/°]
α_max = maximaler Schwenkwinkel in Grad [°]genügt.

3. Verstellbares Leitgitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (δ) zwischen der Neigung von Ober- und Unterseite an den Hinterkanten (23) der feststehenden Leitschaufelteile (9) etwa gleich dem maximalen Schwenkwinkel α_max der schwenk­ baren Leitschaufelteile (10) ist.

4. Verstellbares Leitgitter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Aussparung (24) an der Rückseite des feststehen­ den Leitschaufelteils (9) und durch die der Aussparung (24) unmittelbar zugewandte Seite (28) des schwenkbaren Leitschau­ felteils (10) ein Spalt (22) zwischen den beiden Leitschaufel­ teilen (9, 10) gebildet ist, dessen Form und Größe vom Schwenk­ winkel (α) und von der Lage der Schwenkachse (radiale Naben­ achse 6) des schwenkbaren Leitschaufelteils (10) abhängig ist.