DE69026811T2

DE69026811T2 - Flügelprofil für die Verdichtungsstufe einer rotierenden Maschine

Info

Publication number: DE69026811T2
Application number: DE69026811T
Authority: DE
Inventors: John G Andy; Roy F Behlke; Robert J Neubert; Glen E Potter; Harris D Weingold
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1990-02-07
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2010-12-22
Also published as: JPH04214904A; DE69026811D1; EP0441097A1; US5088892A; JP3179122B2; EP0441097B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Strömungsmaschinen, die Verdichtungsabschnitte haben, und insbesondere auf Schaufelblätter zur Verwendung in einem Dichtungsabschnitt, der sich in der Maschine axial erstreckt. Der Verdichtungsabschnitt wird üblicherweise als Verdichter öder als die Verdichter der Maschine bezeichnet.

Hintergrund der Erfindung

Ein Gasturbinentriebwerk ist ein Beispiel einer strömungsmaschine, die einen sich axial erstreckenden Verdichtungsabschnitt hat, der um eine Achse R des Triebwerks angeordnet ist. Das Gasturbinentriebwerk hat einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt stromabwärts des Verdichtungsabschnittes, die ebenfalls um die Achse Rangeordnet sind. Ein ringförmiger strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch die Abschnitte des Triebwerks.
Die Arbeitsmediumgase werden in dem Verdichtungsabschnitt verdichtet und durch einen Diffusor geleitet. Brennstoff wird mit den Arbeitsmediumgasen in dem Verbrennungsabschnitt vermischt und verbrannt, um den Gasen Energie zuzusetzen. Die heißen, unter Druck stehenden Gase werden in dem Turbinenabschnitt entspannt, um Vortriebsschub zu entwickeln, und dabei durch eine oder mehrere Turbinen hindurchgeleitet, die den Gasen Energie entnehmen, indem diese die Turbinen um die Achse des Triebwerks antreiben.
Bauteile des Verdichtungsabschnittes sind an den Turbinen durch eine Rotorwelle drehbar befestigt. Wenn jede Turbine um die Achse R durch die expandierenden Arbeitsmediumgase angetrieben wird, treibt die Turbine die rotierenden Bauteile in dem Verdichtungsabschnitt um die Achse an. Diese rotierenden Bauteile in dem Verdichtungsabschnitt verrichten an den ankommenden Gasen Arbeit, um die Gase unter Druck zu setzen.
In einem Turbofan-Gasturbinentriebwerk kann der Verdichtungsabschnitt drei Verdichter in axialer Ausrichtung haben, um den Druck der ankommenden Gase zu steigern. Die Verdichter werden üblicherweise als der Fan-Verdichter, der Niederdruckverdichter und der Hochdruckverdichter bezeichnet.
Jeder Verdichter hat eine äußere Wand und eine innere Wand, welche den Arbeitsmediumströmungsweg begrenzen. Die rotierenden Bauteile umfassen Kränze von Laufschaufeln, die sich nach außen über den Arbeitsmediumströmungsweg in die Nähe der äußeren Wand erstrecken. Mit den Kränzen von Laufschaufeln wechseln Kränze von Verdichterleitschaufeln ab. Jede Verdichterleitschaufel hat ein Schaufelblatt, das sich radial einwärts über den Strömungsweg der Arbeitsmediumgase erstreckt. Die Schaufelblätter stellen die Winkelgeschwindigkeitskomponenten der Arbeitsmediumgase ein, wenn die Gase die Rotorstufen verlassen und bevor sie in die benachbarte Rotorstufe oder in ein Diffusorgebiet des Verdichters eintreten.
Ein Beispiel eines Kranzes von Schaufelblättern dieses Typs ist in der DE-C-1 168 599 mit dem Titel "Axialverdichter" gezeigt. Die DE-C-1 168 599 beschreibt ein Schaufelblatt, wie es in dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 angegeben ist, und lehrt, die Wölbung der Schaufelblattabschnitte in der Nähe der Strömungswegwände relativ zu den anderen Schaufelblattabschnitten zu modifizieren, um der Luftströmung in der Nähe der Strömungswegwände eine größere Geschwindigkeitskomponente zu geben und so die Geschwindigkeitseinbuße im wesentlichen zu eleminieren, welche durch Reibungsverluste der Strömüng in der Mähe der Strömungswegwände verursacht wird.
Ein weiteres Beispiel eines Kranzes von Schaufelblättern ist in der US-A-2 795 373 mit dem Titel "Guide Vane Assemblies In Annular Fluid Ducts" gezeigt. Die Schaufelblätter nach der ÜS-A-2 795 373 sind in einem Diffusorgebiet des Verdichters angeordnet.
Jedes Schaufelblatt hat eine Vorderkante und eine Hinterkante. Aerodynamische Oberflächen erstrecken sich von der Vorderkante zu der Hinterkante. Die aerodynamischen Oberflächen sind eine saugseitige Oberfläche auf einer Seite, die üblicherweise als Saugoberfläche bezeichnet wird, und eine druckseitige Oberfläche auf der anderen Seite, die üblicherweise als Druckoberfläche bezeichnet wird. Eine sich in Richtung der Spannweite erstreckende Achse (Spannweitenachse, Stapel- oder Aufschichtungslinie) und eine Vielzahl von sich in Sehnenrichtung erstreckenden Schaufelblattquerschnitten, die um die Achse angeordnet sind, bilden die Form der Schaufelblattoberflächen. Die Spannweitenachse geht durch den Schwerpunkt jedes Schaufelblattquerschnittes hindurch, um die Schaufelblattquerschnitte in bezug auf einander festzulegen.
In der US-A-2 795 373 sind Schaufelblätter gezeigt, die eine Spannweitenachse (Stapellinie) haben, welche entweder gekrümmt ist (Fig. 6) oder aus zwei sich in Spannweitenrichtung erstreckenden Teilen gebildet ist, die gerade sind und sich in dem Spannweitenmittelgebiet des Schaufelblattes schneiden (Fig. 3). Gemäß der US-A-2 795 373 wird dadurch der gesamte Staudruck in der Gasströmung umverteilt, um Grenzschichtverluste auf der stromaufwärtigen Seite der Baugruppe zu korrigieren und eine Fehlverteilung in dem gesamten Staudruck zu vermeiden.
Trotz des obigen Standes der Technik haben Wissenschaftler und Ingenieure danach getrachtet, Schaufelblätter zu entwickeln, welche aerodynamische Verluste in den Schaufelblattqebieten an den Wänden reduzieren, die den strömungsweg für die Arbeitsmediumgase begrenzen (üblicherweise als Endwandgebiete bezeichnet) und die die Auswirkung der Konturgebung des Schaufelblattes auf das Gewicht des Schaufelblattes reduzieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft demgemäß ein Schaufelblatt für den Verdichtungsabschnitt einer Strömungsmaschine, wobei das Schaufelblatt eine Vorderkante und eine Hinterkante hat, eine Druckoberfläche und eine Saugoberfläche, wobei die Oberflächen aerodynamische Oberflächen für das Schaufelblatt bilden, ein erstes Ende und ein zweites Ende an den Spannweitenenden des Schaufelblattes, wobei das Schaufelblatt ein erstes Endgebiet und ein zweites Endgebiet benachbart zu dem ersten bzw. zweiten Ende des Schaufelblattes hat sowie ein gerades Spannweitenmittelgebiet zwischen den Endgebieten, wobei das Schaufelblatt eine Vielzahl von Schaufelblattquerschnitten hat, die um eine Stapellinie angeordnet sind, wobei sich die Stapellinie in der Richtung einer radialen Spannweitenachse über dem Spannweitenmittelgebiet gerade erstreckt und in den Endgebieten unter einem spitzen Winkel gegen die radiale Spannweitenachse ausgerichtet ist, wobei die Schaufelblattquerschnitte in den Endgebieten stärker gewölbt sind als in dem Spannweitenmittelgebiet, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stapellinie in dem ersten und zweiten Endgebiet gerade erstreckt und von der radialen Richtung aus zu der spitzwinkeligen Ausrichtung in einem ersten bzw. zweiten Übergangsgebiet des Schaufelblattes zwischen dem ersten Endgebiet und dem Spannweitenmittelgebiet bzw. zwischen dem Spannweitenmittelgebiet und dem zweiten Endgebiet sanft gekrümmt ist, und daß die Schaufelblattquerschnitte außerhalb des Spannweitenmittelgebietes gegenüber den Schaufelblattquerschnitten in dem Spannweitenmittelgebiet verlagert sind, um ein Schaufelblatt zu schaffen, das in der Umfangsrichtung an beiden Spannweitenenden des geraden Spannweitenmittelgebietes gebogen ist, wobei die Druckoberfläche des Schaufelblattes außerhalb des Spannweitenmittelgebietes nach außen von dem Spannweitenmittelgebiet weggewandt ist und wobei die Endgebiete Kräfte auf das Arbeitsmedium, das über das Schaufelblatt strömt, ausüben, welche die sich nähernde Strömung von den Endgebieten weg zu dem Spannweitenmittelgebiet hin verschieben.
Ein Hauptvorteil, der durch das gebogene Schaufelblatt erzielt wird, ist der erhöhte Verdichterwirkungsgrad, der aus der Verschiebung der stromaufwärtigen Strömung der Arbeitsmediumgase, die sich dem Kranz von Schaufelblättern nähern, weg von jeder Endwand und hin zu dem Spannweitenmittelgebiet jedes Schaufelblattes, um dadurch die aerodynamischen Verluste an den Endwänden zu reduzieren, resultiert. Ein weiterer Vorteil ist der Wirkungsgrad des Verdichters, der aus dem Verschieben der stromabwärtigen Strömung zurück zu der ursprünglichen radialen Verteilung resultiert, die existierte, bevor die Strömung in den nächsten Kranz von Laufschaufeln eintrat. Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Masse des Schaufelblattes, die daraus resultiert, daß in dem Spannweitenmittelgebiet des Schaufelblattes ein gerader Abschnitt vorhanden ist, verglichen mit Schaufelblättern, die über der gesamten Länge gekrümmt oder über der gesamten Länge abgewinkelt sind.
Die Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, daß jedes Abwinkeln des Spannweitenmittelgebietes des Schaufelblattes die Belastung an dem Schaufelblatt nachteilig vergrößern und die Leistung des Schaufelblattes im Vergleich zu Schaufelblättern, die über der Spannweitenausdehnung des Schaufelblattes radial sind, nachteilig verringern kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Schaufelblatt so ausgebildet, daß sich das erste Endgebiet von dem ersten Ende des Schaufelblattes aus bis etwa zu dem Ort bei zehn Prozent Spannweite erstreckt, daß sich das erste Übergangsgebiet von dem ersten Endgebiet aus bis etwa zu dem Ort bei vierzig Prozent Spannweite erstreckt und daß die Stapellinie in dem ersten Übergangsgebiet der Kurve einer Gleichung folgt, die wenigstens eine Gleichung zweiten Grades ist, daß sich das Spannweitenmittelgebiet von dem ersten Übergangsgebiet aus bis etwa zu dem Ort bei sechzig Prozent Spannweite erstreckt, daß sich das zweite Übergangsgebiet von dem Spannweitenmittelgebiet aus bis etwa zu dem Ort bei neunzig Prozent Spannweite erstreckt, daß die Stapellinie in dem zweiten Übergangsgebiet der Kurve einer Gleichung folgt, die wenigstens eine Gleichung zweiten Grades ist, und daß sich das zweite Endgebiet von dem zweiten Übergangsgebiet aus zu dem zweiten Ende des Schaufelblattes erstredkt. Ein weiteres optionales Merkmal ist, daß sich das gerade Spannweitenmittelgebiet über wenigstens die Hälfte der Ausdehnung des Schaufelblattes in Sehnenrichtung erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Ausbildung so getroffen, daß der Einlaßmetallwinkel der Schaufelblattquerschnitte in jedem der Endgebiete an dem ersten und zweiten Ende des Schaufelblattes kleiner als der Einlaßmetallwinkel der Schaufelblattguerschnitte in dem Spannweitenmittelgebiet ist, um denselben Einfallswinkel in bezug auf die Arbeitsmediumgase wie bei dem Referenzschaufelblattquerschnitt aufrechtzuerhalten.
Die Erfindung befaßt sich außerdem mit einer Strömungsmaschine, wie z.B. einem Verdichter, mit einem Schaufelblatt, wie es in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert ist.
Die vorstehenden und anderen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben, wie sie erläutert werden und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, deutlicher werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Turbofan- Gasturbinentriebwerks, wobei das äußere Gehäuse weggebrochen worden ist, um einen Teil der Rotor- und Statorbaugruppen in einem der Verdichterabschnitte des Triebwerks zu zeigen;
Fig. 2 ist eine abgewickelte Ansicht, gesehen von einem stromaufwärtigen Ort aus, eines Teils einer Strömungsleitbaugruppe eines Gasturbinentriebwerks, die einen verdeckten Teil der Rotor-Stator-Baugruppe nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Verdichters nach der Linie 3-3 in Fig. 2;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht von zwei benachbarten Schaufelblattabsdhnitten nach der Linie 4-4 ih Fig. 3;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht der Schnittansicht nach Fig. 4;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht von stromaufwärts aus in einer Sehnenrichtung von zwei benachbarten, sich radial erstreckenden Schaufelblättern des Typs, wie er sich im Stand der Technik findet, mit einem sich radial erstreckenden Spannweitenmittelabschnitt und zwei sich radial erstreckenden Endwandabschnitten;
Fig. 6A ist eine Vorderansicht eines sich radial erstreckenden Referenzschaufelblattes, das eine Familie von Referenzschaufelblattquerschnitten hat;
Fig. 7 ist eine Darstellung der Spannweitenachse (Stapellinie) eines Schaufelblattes nach der vorliegenden Erfindung, die die Umfangslage des Schwerpunktes der Schaufelblattquerschnitte nach der vorliegenden Erfindung in bezug auf eine radiale Spannweitenachse (Stapellinie) für ein Referenzschaufelblatt zeigt;
Fig. 8 ist eine Ansicht von zwei Schaufelblättern nach der vorliegenden Erfindung in einer Perspektive, die der Ansicht des Schaufelblattes gleicht, welches in Fig. 6A gezeigt ist;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Verdichters einer Strömüngsmaschine, die die Auswirkung der Schaufelblätter nach der vorliegenden Erfindung auf die Strömung der Arbeitsmediumgase in der Maschine zeigt.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Eine Ausführungsform eines Turbofan-Gasturbinentriebwerks 10 nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die hauptsächlichen Abschnitte des Triebwerks sind ein Verdichtungsabschnitt 12, ein Verbrennungsabschnitt 14 und ein Turbinenabschnitt 16. Der Verdichtungsabschnitt umfaßt einen Fan- Verdichter 18, einen Niederdruckverdichter 20 und einen Hochdruckverdichter 22. Das Triebwerk hat eine Achse R.
Rotorbaugruppen, wie sie durch die Rotorbaugruppe 24 mit einer Laufschaufel 25 dargestellt sind, erstrecken sich axial durch den Verdichtüngsabschnitt 12 und den Turbinenabschnitt 16. Eine Statorbaugruppe 26 umgibt die Rotorbaugruppen. Ein ringförmiger Strömungsweg 28 für Arbeitsmediumgase erstreckt sich axial durch den Verdichterabschnitt und wird durch Teile der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe begrenzt, welche eine innere Wand 32 und eine äußere Wand 34 für den ringförmigen Strömungsweg bilden.
Fig. 2 zeigt einen Teil der Statorbaugruppe nach Fig. 1 und zeigt insbesondere einen Teil der Verdichterleitschaufeln 36, die einen Teil der Strömungsleitvorrichtung des Gasturbinentriebwerks sind. Die gestrichelte Linie zeigt die Ausführungsforrn in einer nichtabgewickelten Ansicht. Die ausgezogenen Linien zeigen die Ausführungsform in einer abgewickelten Ansicht.
Die Verdichterleitschaufel 36 umfaßt die innere Wand 32, die äußere Wand 34 und einen Kranz von Schaufelblättern, die durch das Schaufelblatt 38 dargestellt sind und sich zwischen der inneren Wand und der äußeren Wand erstrecken. Der Strömungsweg für Arbeitsmediumgase erstreckt sich zwischen den benachbarten Schaufelblättern. Jedes Schaufelblatt hat eine konvexe Oberfläche oder Seite wie die saugseitige Oberfläche 42 und eine konkave Oberfläche oder Seite wie die druckseitige Oberfläche 44.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 sind die Saugoberfläche 42 und die Druckoberfläche 44 jedes Schaufelblattes an einer Vorderkante 46 und an einer Hinterkante 48 miteinander verbunden. Eine imaginäre Stromlinie S in dem Strömungsweg ist jedem Schaufelblatt benachbart. Ein imaginärer Punkt A, der jeder Stromlinie zugeordnet ist, liegt auf der Vorderkante des Schaufelblattes längs der Stromlinie S. Der Punkt A hat einen Radius r üm die Achse R des Triebwerks. Ebenso liegt ein imaginärer Punkt B auf der Saugseite, und ein imaginärer Punkt C liegt auf der Hinterkante längs der Stromlinie S. Die drei Punkte definieren eine Querschnittsebene S' (4-4). Die Ebene S' geht durch jedes Schaufelblatt hindurch und bildet einen konischen Flügelprofilguerschnitt. Das Schaufelblatt ist durch eine Familie dieser Flügelprofilquerschnitte definiert.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht von zwei benachbarten Flügelprofilquerschnitten nach der Linie 4-4 in Fig. 3.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung der Schnittansicht in Fig. 4. Eine konische Sehnenlinie Bt ist eine gerade Linie, die den Punkt A auf der Vorderkante mit dem Punkt C auf der Hinterkante verbindet. Die konische Sehnenlinie Bt hat eine Länge Bt. Eine mittlere Wölbungslinie MCL verbindet den Punkt A auf der Vorderkante und den Punkt C auf der Hinterkante. Die Saugoberfläche 20 und die Druckoberfläche 22 sind um eine vorbestimmte Distanz von der mittleren Wölbungslinie längs Linien Zn', gemessen rechtwinkelig zu der mittleren Wölbungslinie, beabstandet. Der Schwerpunkt CG des Schaufelblattquerschnitts ist der Ortsreferenzpunkt für das Schaufelblatt in der Strömungsmaschine. Eine Spannweitenachse 52 oder Stapellinie erstreckt sich in dem Schaufelblatt 38 in Richtung der Spannweite durch den Schwerpunkt jedes Schaufelblattquerschnittes und legt die Schaufelblattquerschnitte in bezug auf jeden anderen in Richtung der Spannweite und in Sehenrichtung sowie in der Umfangsund Axialrichtung fest.
Eine vordere Tangente TL, die zu einem Kreis tangential ist, der durch eine radiale Linie gebildet wird, welche durch die Achse R des Triebwerks und durch den Punkt A hinduchgeht, bildet eine Referenzachse (y-Achse) zum Messen von Winkeln und Distanzen. Eine Ebene, die durch die Drehachse R hindurchgeht, schneidet die Ebene S' in einer zweiten Referenzlinie, der x- Achse. r ist die Distanz zwischen den Schaufelblattquerschnitten, gemessen längs der vorderen Tangente TL. Ein Alpha-Sehnenwinkel, αch, ist der Winkel zwischen der Tangente TL und der konischen Sehenlinie Bt.
Das Arbeitsmediumgas, das längs des Arbeitsmediumströmungsweges 28 strömt, nähert sich dem Schaufelblattquerschnitt unter einem Winkel ß&sub1; zu der Tangente TL. Die Wölbungsmittellinie MCL hat eine Tangente TMCF an der Vorder- oder Frontkante. Der Winkel zwischen der Tangente TMCF und der Tangente TL ist der Einlaßmetallwinkel β*&sub1; Die Differenz zwischen dem Einlaßmetallwinkel β*&sub1; und dem Winkel der Arbeitsmediumgase ß&sub1; ist der Einfallswinkel i der Arbeitsmediumgase. Gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist der Einfallswinkel i negativ.
Das Arbeitsmediumgas verläßt das Schaufelblatt unter einem Winkel ß&sub2; zu der hinteren Tangente TLR. Die gewölbte Mittellinie MCL hat eine Tangente TMCR an der Hinter- oder Rückkante. Ein Gesamtwölbungswinkel Θ*t ist der Winkel zwischen der Tangente TMCF an der Vorderkante und der Tangente TMCR an der Hinterkante. Der gesamte Wölbungswinkel Θ*t ist das Maß der Kurve der gewölbten Mittellinie und des Schaufelblattquerschnittes.
Fig. 6 zeigt ein herkömmliches, ungebogenes Statorschaufelblatt des Typs, wie er sich im Stand der Technik findet. Die Spannweitenachse 54 oder Startlinie des Schaufelblattes 39 ist eine radiale Linie, die sich durch die Achse des Triebwerks erstreckt. Jeder der Schaufelblattquerschnitte der Familie von Schaufelblattquerschnitten gleicht den in Richtung der Spannweite benachbarten Mitgliedern der Familie. Die Wölbungsverteilung der Schaufelblattquerschnitte in Richtung der Spannweite ergibt die richtige Richtung der Strömung, die das Schaufelblatt verläßt, so daß sie mit dem stromabwärtigen Kranz von Laufschaufeln richtig ausgerichtet ist. Der Einlaßmetallwinkel an der inneren Wand und an der äußeren Wand dient dem Zweck, die Vorderkante des Schaufelblattes mit der den Kranz von Laufschaufeln verlassenden Strömung äuszurichten, ohne daß eine spezielle Behandlung vorgesehen wird, um Grenzschichteffekte in den Endwandgebieten zu berücksichtigen.
Fig. 6A ist eine der in Fig. 6 gezeigten Ansicht entsprechende Ansicht eines ungebogenen Schaufelblattes für einen Verdichter, das eine zusätzliche Wölbung an der inneren Wand und an der äußeren Wand hat, wie es z.B. aus der DE-A-1 168 599 bekannt ist. Die zusätzlich Wölbung, die geschaffen wird, indem der Einlaßmetallwinkel verringert wird, berücksichtigt die Änderung in der Geschwindigkeitsverteilung und in dem Einfallswinkel i der Arbeitsmediumgase auf Grund von Grenzschichteffekten in diesem Gebiet. Solche Schaufelblätter sind zur Verwendung in modernen Triebwerken vorgeschlagen worden. Die übrigen Schaufelblattguerschnitte bleiben den Schaufelblattquerschnitten des in Fig. 6 gezeigten herkömmlichen Statorschaufelblattes ähnlich.
Fig. 7 zeigt die Spannweitenachse 52 (Stapellinie) für die Schaufelblattquerschnitte des Schaufelblattes 38 nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einer radialen Spannweitenachse 54 für ein herkömmliches Schaufelblatt 39, 39a des in Fig. 6 oder in Fig. 6A gezeigten Typs, wo die Spannweitenachse (Stapellinie) auf einer radialen Linie liegt. Die Spannweitenachse 52 des Schaufelblattes nach der vorliegenden Erfindung erstreckt sich durch die folgenden Gebiete des Schaufelblattes: ein inneres Endwandgebiet 58; ein inneres Übergangsgebiet 60; ein Spannweitenmittelgebiet 62; ein äußeres Übergangsgebiet 63; und ein äußeres Endwandgebiet 66. Die Spannweitenachse 52 ist in dem Spannweitenmittelgebiet gerade und ist zu der radialen Spannweitenachse parallel.
Die Spannweitenachse 52 ist eine gerade Linie, die unter einem spitzen Winkel 6 in bezug auf das Spannweitenmittelgebiet 62 und in bezug auf die radiale Spannweitenachse 54 sowohl in dem inneren Endwandgebiet 58 als auch in dem äußeren Endwandgebiet 66 abgewinkelt ist. Spitze Winkel von fünfundvierzig Grad (45º) oder weniger dürften zufriedenstellend sein. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt der spitze Winkel δ etwa dreißig Grad (30º).
In der dargestellen Ausführungsform ist die Spannweitenachse 52 in der Richtung, in die die Druckseite 44 gewandt ist, umfangsmäßig verlagert. Das Spannweitenmittelgebiet 62 der Spannweitenachse ist parallel zu der radialen Spannweitenachse 54 des Schaufelblattes 39a, fällt mit derselben aber nicht zusammen. In einer alternativen Ausführungsform könnte das Endwandgebiet der Spannweitenachse umfangsmäßig in der Richtung, in die die Saugoberfläche gewandt ist, verlagert sein. Bei einer solchen Ausführungsform ist das Spannweitenmittelgebiet der Spannweitenachse zu der radialen Spannweitenachse parallel und fällt mit derselben zusammen.
Die Spannweitenachse 52 ist in dem Übergangsgebiet 60, 64 eine Kurve höherer Ordnung (zweiten oder größeren Grades), die die Übergangslinie von dem linearen Endwandgebiet (Endwandgebiet ersten Grades) 58, 66 zu dem geraden Spannweitenmittelgebiet (Spannweitenmittelgebiet ersten Grades) 52 in der Mitte des Schaufelblattes gleichmäßig überleitet. Die Kurve ist in der gezeigten Ausführungsform parabolisch und kann eine Gleichung höherer Ordnung sein. Die Kurve ist in der Nähe des Spannweitenmittelgebietes 62 flacher als in der Nähe des Endwandgebietes 58, 66.
Die gesamte Spannweite Sr des Schaufelblattes ist die Distanz von dem Fuß 68 des Schaufelblattes an der inneren Endwand 32 bis zu der Spitze 70 des Schaufelblattes in der Nähe der äußeren Endwand 34. In der gezeigten besonderen Ausführungsform erstreckt sich das innere Endwandgebiet, das eine gerade Spannweitenachse 52 (Stapellinie) hat, von der inneren Wand 32 bis etwa zu dem Spannweitenort von zehn Prozent (10%), der sich bei zehn Prozent (10%) der gesamten Spannweite Sr von der inneren Wand zu der äußeren Wand befindet. Das innere Übergangsgebiet 60 erstreckt sich von dem inneren Endwandgebiet 58 bis etwa zu dern Ort bei vierzig Prozent (40%) Spannweite. Die Spannweitenachse 52 folgt, wie oben erwähnt, einer Kurve mit einer Gleichung, die eine Gleichung wenigstens zweiten Grades ist, wie z.B. eine parabolische Gleichung, oder eine Gleichung höherer Ordnung sein kann. Das Spannweitenmittelgebiet 62, das gerade und zu einer radialen Linie parallel ist, erstreckt sich von dern inneren Übergangsgebiet 60 bis zu dem Ort bei sechzig Prozent (60%) Spannweite. Das äußere Übergangsgebiet 64, das ebenso wie das innere Übergangsgebiet parabolisch ist, erstreckt sich von dem Spannweitenmittelgebiet 62 bis etwa zu dem Ort bei neunzig Prozent (90%) Spannweite. Das äußere Endwandgebiet 66 erstreckt sich von dem äußeren Übergangsgebiet 64 zu der äußeren Wand 34 und enthält die Spannweitenachse 52, die einen Winkel von dreißig Grad (30%) in bezug auf eine radiale Linie und in bezug auf das Spannweitenmittelgebiet bildet. Der hier zum Beschreiben der Grenzschicht zwischen jedem der Gebiete benutzte Begriff "etwa" bedeutet, daß der Spannweitenort um zehn Prozent (10%) der Spannweite der beiden benachbarten Gebiete variieren kann, die auf beiden Seiten der Grenzschicht liegen. Zum Beispiel, die Grenzschicht zwischen dem Übergangsgebiet und dem Spannweitenmittelgebiet kann um fünf Prozent (5%) variieren und zwischen dem Übergangsgebiet und dem Endwandgebiet um vier Prozent (4%).
Fig. 8 ist eine ähnliche Ansicht wie die in den Fig. 6 und 6A gezeigten Ansichten und zeigt ein Schaufelblatt 38 nach der vorliegenden Erfindung, das auf Grund der abgewinkelten Spannweitenachse 52 in den Endgebieten und der radialen Spannweitenachse 52 in dem Spannweitenmittelgebiet gebogen ist. Die Schaufelblattquerschnitte des gebogenen Schaufelblattes sind mit den Schaufelblattquerschnitten des Referenzschaufelblattes 72, das in Fig. 6A gezeigt ist, identisch, mit der Ausnahme, daß die Schaufelblattquerschnitte dadurch, daß die Spannweitenachse 52 gegenüber einer radialen Linie verlagert ist, verlagert sind. Die Ausnahme von dieser Feststellung findet sich in den Endwandgebieten des Schaufelblattes. Die Vorderkante an der Spitze 70 des Schaufelblattes in dem äußeren Endwandgebiet 66 und die Vorderkante 46 an dem Fuß 68 des Schaufelblattes in dem inneren Endwandgebiet sind sogar gewölbter als das ungebogene Schaufelblatt 72, das in Fig. 6A gezeigt ist.
Die gestrichelten Linien des benachbarten Schaufelblattquerschnittes, das in Fig. 5 gezeigt ist, zeigen die Vorderkante des Referenzschaufelblattes nach Fig. 6A, um die Beziehung zu dem umgewölbten oder übergewölbten Schaufelblatt nach der vorliegenden Erfindung an dem äußeren Ende des Schaufelblattes zu dern Referenzschaufelblatt zu veranschaulichen. Das Referenzschaufelblatt ist auf einer Spannweitenachse 54a oder Stapellinie gebildet, die sich von einer Achse des Triebwerks aus radial erstreckt. Das Referenzschaufelblatt hat, mit Ausnahme der Schaufelblattquerschnitte, die der inneren Wand und der äußeren Wand benachbart sind, dieselben Schaufelblattquerschnitte wie die vorliegende Konfiguration.
Die Schaufelblattquerschnitte nach der vorliegenden Erfindung, die der inneren Wand und der äußeren Wand in den Endwandgebieten benachbart sind, sind, wie dargestellt, sogar stärker gewölbt als das Referenzschaufelblatt. Es ist festgestellt worden, daß das Vorsehen dieser zusätzlichen Wölbung einen zufriedenstellenderen Einfallswinkel i in den Endwandgebieten des Schaufelblattes ergibt. Das vorliegende Schaufelblatt ist deshalb so ausgelegt, daß es die Erkenntnis berücksichtigt, daß das Biegen des Schaufelblattes in dem Endwandgebiet den Einfallswinkel der ankommenden Strömung weiter reduziert und eine Überwölbung des Schaufelblattes in bezug auf die Referenzschaufelblattquerschnitte verlangt. Dadurch wird derselbe Einfallswinkel i in bezug auf die Arbeitsmediurngase wie bei dem Referenzschaufelblattquerschnitt aufrechterhalten.
In Fig. 8 ist zu erkennen, daß sich die Spannweitenachse 52 in dern Spannweitenmittelgebiet gerade erstreckt und sich in den Endwandgebieten gerade erstreckt und sich in dem Spannweitenmittelgebiet unter einem spitzen Winkel gegen die Spannweitenachse erstreckt, so daß die Druckoberfläche von dem Spannweitenmittelgebiet in den Endwandgebieten des Schaufelblattes aus nach außen gewandt ist.
In Abhängigkeit von dem Ausmaß der Wölbung, die der Vorderkante 46 in den Endwandgebieten des Schaufelblattes gegeben wird, ist es möglich, den Winkel der Vorderkante in bezug auf die Spannweitenachse 52 so zu beeinflussen, daß die Vorderkante nicht denselben spitzen Winkel hat wie die Spannweitenachse 52. Trotzdem wird sich wenigstens die Hälfte der in Sehnenrichtung gemessen Länge des Schaufelblattes in dem Spannweitenmittelgebiet gerade erstrecken und wird sich in den Endwandgebieten 58, 66 unter einem spitzen Winkel zu dem Spannweitenmittelgebiet erstrecken, so daß die Druckoberfläche 44 in dem Endwandgebiet 58,66 von dem Spannweitenmittelgebiet 62 abgewandt ist.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Verdichtungsabschnittes 12 nach Fig. 1, die die Auswirkung der Verwendung der Schaufelblätter nach der vorliegenden Erfindung auf die Stromlinien der axialen Strömung durch den Verdichtungsabschnitt einer Strömungsmaschine zeigt. Die Orientierung der Schaufelblattquerschnitte, die aus der gebogenen Stapellinie resultiert, führt zur Ausübung von radialen Kräften auf die Arbeitsmediumgase, welche die stromaufwärtige Strömung, die sich dem Kranz von Schaufelblättern nähert, von den Endwandgebieten weg verschiebt. Die stromaufwärtige Strömung wird zu dem Spannweitenmittelgebiet 62 hin bewegt. Wenn die Strömung durch den Kranz von Schaufelblättern hindurchgeht, strömen daher mehr Arbeitsmediumgase durch das Spannweitenmittelgebiet und weniger durch die Endwandgebiete hindurch, verglichen mit einem Schaufelblatt 39, 39a mit ungebogener oder gerader Spannweitenachse des in Fig. 6 oder Fig. 6A gezeigten Typs.
Die vergrößerte Strömung durch das Spannweitenmittelgebiet reduziert die aerodynamischen Verluste auf dreierlei Weise. Das Spannweitenmittelgebiet hat üblicherweise viel niedrigere Verluste als die Endwandgebiete. Demgemäß wird durch Steigern der Strömung, die durch das Spannweitenmittelgebiet hindurchgeleitet wird, die Strömung durch das Endwandgebiet verringert, und es werden weniger Verluste erzeugt, als wenn die inkrementelle Steigerung der Strömung durch das Spannweitenmittelgebiet in dern Endwandgebiet erfolgen würde. Zweitens, weil die Arbeitsmediumgase, die durch das Endwandgebiet des Kranzes von Schaufelblättern hindurchgehen, verringert werden, wird die Mach-Zahl in den Endwandgebieten ebenfalls reduziert. Dadurch werden Verluste in dem Endwandgebiet weiter reduziert.
Die radialen Kräfte, die durch das gebogene Schaufelblatt auf die Strömung ausgeübt werden, drängen die Arbeitsmediumgase zurück zu der ursprünglichen radialen Verteilung, wenn die Strömung das Schaufelblatt verläßt. Dadurch werden die Stromlinien wieder in ihre ursprüngliche Lage wie bei Konstruktionen gebracht, die keine gebogenen Schaufelblätter haben. Die Strömung wird somit nach innen bewegt, wenn die Strömung in den Kranz von Schaufelblättern eintritt, und bewegt sich nach außen, wenn die Strömung den Krariz von Laufschaufeln verläßt, wodurch die ursprüngliche Stromlinienorientierung der Arbeitsmediumgase wiederhergestellt wird, während gleichzeitig Endwandverluste in den Wandgebieten des Verdichterabschnittes nahe den Endwänden der Schaufelblätter vermieden werden.
Die Nachaußenbewegung der Strömung, welche den Kranz von Schaufelblättern verläßt, reduziert die Schaufelbelastung in dem Endwandgebiet, wodurch Verluste in dem Endwandgebiet weiter reduziert werden. Es wird angenommen, daß bei einigen Konstruktionen die Belastung än dem Schaufelblatt in dem Endwandgebiet ausreichend reduziert werden kann, um eine unabgelöste Strömung zu erzeugen, wodurch die Verluste vermieden werden, die mit der üblicherweise abgelösten Strömung in den Endwandgebieten verbunden sind.
Darüber hinaus hat das gerade Spannweitenmittelgebiet 62 des Schaufelblattes ein geringeres Gewicht im Vergleich zu denjenigen Konstruktionen, bei denen das Spannweitenmittelgebiet durch ein Schaufelblatt überspannt wird, das gekrümmt oder abgewinkelt ist. Die Gewichtsverringerung steigert den Wirkungsgrad des Triebwerks. Der gerade Abschnitt des Schaufelblattes in dem Spannweitenmittelgebiet reduziert die Belastung an dem Schaufelblatt in diesem Gebiet relativ zu gekrümmten oder abgewinkelten Schaufelblättern. Die Verringerung des Gewichts ist daher durch keine aerodynamische Einbuße begleitet und kann tatsächlich die aerodynamische Einbuße verringern, die mit dem Spannweitenmittelgebiet verbunden ist, verglichen mit Abschnitten, in welchen das Schaufelblatt in dem Spannweitenmittelgebiet abgewinkelt oder gekrümmt ist.
Ein weiterer Vorteil existiert bei Konstruktionen, bei denen das Schaufelblatt um eine radiale Achse drehbar ist, um den Einfallswinkel i in bezug auf die Arbeitsmediumgase zu verändern. Statoren, die solche variablen Leitschaufeln haben, werden üblicherweise als "verstellbare Statoren" bezeichnet. Das gerade Spannweitenmittelgebiet des Schaufelblattes verkleinert den Bogen, den das Spannweitenmittelgebiet zurücklegt, wenn das Schaufelblatt um die radiale Achse gedreht wird, verglichen mit Schaufelblättern, die ein gekrümmtes oder abgewinkeltes Spannweitenmittelgebiet haben. Reduzierte Verluste resultieren weiter aus einer Vergrößerung des Wirkungsgrades des Schaufelblattes in bezug auf solche gekrümmten oder abgewinkelten Schaufelblätter. Das erlaubt größere Drehwinkel, als sie bei vollständig gekrümmten oder abgewinkelten Schautelblättern zugelassen sind, bevor es zu einer Berührung mit stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kränzen von Laufschaufeln kommt. Das kann einen verbesserten Wirkungsgrad und eine verbesserte Stabilität bei Startbedingungen oder bei Bedingungen niedriger Geschwindigkeit ergeben als in dem Fall von vollständig gekrümmten Schaufelblättern.

Claims

1. Schaufelblatt für den Verdichtungsabschnitt einer Strömungsmaschine, wobei das Schaufelblatt eine Vorderkante (46) und eine Hinterkante (48) hat, eine Druckoberfläche (44) und eine Saugoberfläche (42), wobei die Oberflächen (42, 44) aerodynamische Oberflächen für das Schaufelblatt bilden, ein erstes Ende (68) und ein zweites Ende (70) an den Spannweitenenden des Schaufelblattes, wobei das Schaufelblatt ein erstes Endgebiet (58) und ein zweites Endgebiet (66) benachbart zu dem ersten bzw. zweiten Ende (68, 70) des Schaufelblattes hat sowie ein gerades Spannweitenmittelgebiet (62) zwischen den Endgebieten (58, 66), wobei das Schaufelblatt eine Vielzahl von Schaufelblattquerschnitten hat, die um eine Stapellinie (52) angeordnet sind, wobei sich die Stapellinie (52) in der Richtung einer radialen Spannweitenachse (54) über dem Spannweitenmittelgebiet (62) gerade erstreckt und in den Endgebieten (58, 66) unter einem spitzen Winkel (8) gegen die radiale Spannweitenachse (54) ausgerichtet ist, wobei die Schaufelblattquerschnitte in den Endgebieten (58, 66) stärker gewölbt sind als in dem spannweitenmittelgebiet (62),

dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stapellinie (52) in dem ersten und zweiten Endgebiet (58, 66) gerade erstreckt und von der radialen Richtung aus zu der spitzwinkeligen Ausrichtung in einem ersten bzw. zweiten Übergangsgebiet (60, 64) des Schaufelblattes zwischen dem ersten Endgebiet (58) und dem Spannweitenmittelgebiet (62) bzw. zwischen dem Spannweitenmittelgebiet (62) und dem zweiten Endgebiet (60) sanft gekrümmt ist, und daß die Schaufelblattquerschnitte außerhalb des Spannweitenmittelgebietes (62) gegenüber den Schaufelblattquerschnitten in dem Spannweitenmittelgebiet (62) verlagert sind, um ein Schaufelblatt zu schaffen, das in der Umfangsrichtung an beiden Spannweitenenden des geraden Spannweitenmittelgebietes (62) gebogen ist, wobei die Druckoberfläche (44) des Schaufelblattes außerhalb des Spannweitenmittelgebietes (62) nach außen von dem Spannweitenmittelgebiet weggewandt ist und wobei die Endgebiete (58, 66) Kräfte auf das Arbeitsmedium, das über das Schaufelblatt strömt, ausüben, welche die sich nähernde Strömung von den Endgebieten (58, 66) weg zu dem Spannweitenmittelgebiet (62) hin verschieben.

2. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (6) zwischen der Stapellinie (52) in den Endgebieten (58, 66) und der radialen Spannweitenachse (54) kleiner als fünfundvierzig Grad ist.

3. Schaufelblatt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel (6) zwischen der Stapellinie (52) in den Endgebieten (58, 66) und der radialen Spannweitenachse (54) etwa dreißig Grad beträgt.

4. Schaufelblatt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste Endgebiet (58) von dem ersten Ende (68) des Schaufelblattes aus bis etwa zu dem Ort bei zehn Prozent Spannweite erstreckt, daß sich das erste Übergangsgebiet (60) von dem ersten Endgebiet (58) aus bis etwa zu dem Ort bei vierzig Prozent Spannweite erstreckt und daß die Stapellinie (52) in dem ersten Übergangsgebiet (60) der Kurve einer Gleichung folgt, die wenigstens eine Gleichung zweiten Grades ist, daß sich das Spannweitenmittelgebiet (62) von dem ersten Übergangsgebiet (60) aus bis etwa zu dem Ort bei sechzig Prozent Spannweite erstreckt, daß sich das zweite Übergangsgebiet (64) von dem Spannweitenmittelgebiet (62) aus bis etwa zu dem Ort bei neunzig Prozent Spannweite erstreckt, daß die Stapellinie (52) in dem zweiten Übergangsgebiet (64) der Kurve einer Gleichung folgt, die wenigstens eine Gleichung zweiten Grades ist, und daß sich das zweite Endgebiet (68) von dem zweiten Übergangsgebiet (64) aus zu dem zweiten Ende (70) des Schaufelblattes erstreckt.

5. Schaufelblatt nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stapellinie (52) in den Übergangsgebieten (60, 64) parabolisch ist.

6. Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das gerade Spannweitenmittelgebiet (62) über wenigstens die Hälfte der Ausdehnung des Schaufelblattes in Sehnenrichtung erstreckt.

7. Schaufelblatt nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt einen Einlaßmetallwinkel (β*&sub1;) hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßmetallwinkel (β*&sub1;) der Schaufelblattquerschnitte in jedem der Endgebiete (58, 66) an dem ersten und zweiten Ende (68, 70) des Schaufelblattes kleiner als der Einlaßmetallwinkel (β*&sub1;) der Schaufelblattquerschnitte in dem Spannweitenmittelgebiet (62) ist, um denselben Einfallswinkel (i) in bezug auf die Arbeitsmediumgase wie bei dem Referenzschaufelblattquerschnitt aufrechtzuerhalten.

8. Strömungsmaschine, die eine Achse (R) und einen ringförmigen Strömungsweg (28) für Arbeitsmediumgase, der um die Achse (R) angeordnet ist, hat, wobei die Strömungsmaschine eine Statorbaugruppe (26) aufweist, die den Strömungsweg (28) begrenzt, der eine innere Wand (32) sowie eine von der inneren Wand (32) radial beabstandete äußere Wand (34) hat, gekennzeichnet durch wenigstens ein Schaufelblatt (98) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das sich zwischen der inneren und äußeren Wand (32, 34) erstreckt.

9. Strömungsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verdichtungsabschnitt (12) aufweist und daß das Schaufelblatt (38) ein Verdichtungsabschnittsschaufelblatt (38) ist.