DE102009036406A1

DE102009036406A1 - Schaufelblatt

Info

Publication number: DE102009036406A1
Application number: DE102009036406A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dupslaff; Peter Dr. Eibelshäuser; Sergio Elorza Gomez; Harald Dr. Passrucker; Wilfried SCHÜTTE; Rudolf Selmeier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-08-06
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2011-02-10
Also published as: WO2011015193A2; EP2462320B1; US9011081B2; WO2011015193A3; EP2462320A2; US20120128480A1; CN102472111B; CN102472111A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, mit mindestens einer Aufdickung (18) auf einer Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P), wobei die Aufdickung (18) in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts (10) angeordnet ist, wobei die Aufdickung (18) von einer Vorderkante (12) und einer Hinterkante (14) des Schaufelblatts (10) beabstandet ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, mit mindestens einer Aufdickung auf einer Druckseite des Schaufelblattprofils, wobei die Aufdickung in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts angeordnet ist.
Derartige Schaufelblätter für Strömungsmaschinen sind aus der DE 28 41 616 , der DE 10 2004 026 386 und der EP 0 789 447 B1 bekannt. Die offenbarten Aufdickungen der Schaufelblätter dienen insbesondere zur Minimierung der so genannten Sekundärströmungsverluste. Die Aufdickung des Schaufelblatts ist dabei jeweils im gehäuse- und/oder narbenseitigen Saug- und Druckbereich des Schaufelblatts ausgebildet. Die bekannten Aufdickungen des Schaufelprofils im gehäuseseitigen Bereich sind zudem notwendig, um die an der Gehäuseseite von verstellbaren Leitschaufeln von Verdichtern häufig auftretenden hohen statischen Spannungen entgegenzuwirken. Die bekannten umlaufenden, d. h. auf der Saug- und Druckseite ausgebildeten Aufdickungen weisen jedoch aerodynamische Nachteile auf.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schaufelblatt der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine relativ dünnes, aerodynamisch günstiges Schaufelprofil bei gleichzeitig verbesserter Festigkeit aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schaufelblatt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, umfasst mindestens eine Aufdickung auf einer Druckseite des Schaufelblattprofils, wobei die Aufdickung in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts angeordnet ist und die Aufdickung von einer Vorderkante und einer Hinterkante des Schaufelblatts jeweils beabstandet ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird auf eine vollumfängliche Aufdickung der radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereiche der Schaufelblätter verzichtet.
Vorteilhafterweise können somit dünne, aerodynamische günstige Schaufelblattprofile ausgelegt werden, die aufgrund der lokal ausgeprägten Aufdickung dennoch die geforderte Festigkeit aufweisen. Dadurch können zudem Spannungen im Bereich der Gehäuseseite, insbesondere hohe statische Spannungen, die im Bereich eines gehäuseseitigen Drehtellers bei verstellbaren Schaufelblättern auftreten, minimiert werden. Durch eine optimierte Ausformung der Aufdickung ist es zudem möglich, dass lokal der statische Druck im druckseitigen Bereich einer erfindungsgemäß ausgebildeten Leitschaufel reduziert werden kann. Dadurch verringert sich vorteilhafterweise die Intensität der Spaltströmung in diesen Bereich.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts ist die Aufdickung als konvexe Kontur innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite des Schaufelblattprofils ausgebildet. Die konvexe Kontur bzw. die zumindest teilweise konvexe Ausgestaltung der Aufdickung hat sich als strömungsmechanisch vorteilhaft erwiesen. Zudem kann die Aufdickung im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts ihre größte Profildicke aufweisen. Dabei kann die Profildicke der Aufdickung ausgehend von der größten Profildicke kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke des Schaufelblattprofils ohne Aufdickung abnehmen. Auch diese Ausgestaltungen der Aufdickung haben sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der strömungsmechanischen Anforderungen in diesem Bereich erwiesen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaufelblatts erstreckt sich die Aufdickung maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts, die 25% der Schaufelblatthöhe entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Dimensionierung der Aufdickung die notwendige Festigkeit des Schaufelblatts im gehäuseseitigen Bereich gewährleistet. Zudem können überwiegende Bereiche des Schaufelblatts ein relativ dünnes, aerodynamisch optimiertes Schaufelblattprofil aufweisen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts beträgt der Abstand zwischen der Vorderkante des Schaufelblatts und der Aufdickung im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts mindestens 15% einer Sehnenlänge des Schaufelblatts in diesem Endbereich. Zudem kann die konvexe Kontur der Aufdickung an den Enden der Aufdickung jeweils tangential zur konkaven Kontur der Druckseite des Schaufelblattprofils verlaufen. Die Aufdickung kann zumindest teilweise wulst- oder höckerförmig ausgebildet sein. Auch diese Ausgestaltungsmöglichkeiten der Aufdickung beinhalten die Möglichkeit der Ausbildung eines aerodynamisch günstigen Schaufelprofils bei einer gleichzeitig verbesserten Festigkeit des Schaufelblatts zum Ausgleich von gehäuseseitig auftretenden Spannungen.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaufelblatts ist dieses gehäuseseitig mit einem in einem Gehäuse der Strömungsmaschine drehbar gelagerten Drehteller verbunden. Dabei kann die Vorderkante und die Hinterkante des Schaufelblatts vollständig innerhalb des Durchmessers des Drehtellers angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, dass die Vorderkante und/oder die Hinterkante des Schaufelblatts über den Drehteller hinausragt. Für den Fall, dass die Hinterkante des Schaufelblatts über den Drehteller hinausragt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Aufdickung außerhalb des Durchmessers des Drehtellers endet. Dadurch können insbesondere Spannungen am Rand des Drehtellers gezielt reduziert werden.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer Stator- und/oder Rotorbeschaufelung umfasst eine Vielzahl von Schaufelblättern gemäß den im vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen. Ein erfindungsgemäßer Verdichter einer Strömungsmaschine, insbesondere ein Hochdruckverdichter einer Gasturbine, umfasst eine Statorbeschaufelung mit einer Vielzahl von Schaufelblättern gemäß einem der im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaufelblatts;
3 eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller angeordneten Schaufelblatts ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik; und
4 eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller angeordneten erfindungsgemäßen Schaufelblatts gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts 10 ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik. Das Schaufelblatt 10 weist eine übliche Schaufelblattkontur 16 auf, wobei die Schaufelblattkontur 16 auf der Druckseite D des Schaufelblatts 10 insgesamt konkav und auf der Saugseite S des Schaufelblatts 10 insgesamt konvex ausgebildet ist. Die Sehnenlänge Se des Schaufelblatts 10 wird üblicherweise als linearer Abstand zwischen der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des jeweiligen Profilschnitts definiert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaufelblatts 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Schaufelblatt 10 handelt es sich um ein Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere um eine verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine. Man erkennt, dass das Schaufelblatt 10 eine Aufdickung 18 auf einer Druckseite D des Schaufelblattprofils P aufweist, wobei die Aufdickung 18 in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts 10 angeordnet ist. In dieser Darstellung ist das Gehäuse nicht dargestellt. Das Schaufelblattprofil P wird durch eine Schaufelblattkontur 16 ausgebildet und definiert. Dabei wird deutlich, dass die Aufdickung 18 als konvexe Kontur 20 innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite D des Schaufelblattprofils P ausgebildet ist. Die Erstreckung E der Aufdickung 18 ist dabei derart gewählt, dass die Aufdickung 18 insgesamt von der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des Schaufelblatts 10 jeweils beabstandet ausgebildet ist. Dabei beträgt der Abstand zwischen der Vorderkante 12 und der Aufdickung 18 in dem gezeigten gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 ca. 15% der Sehnenlänge Se des Schaufelblatts 10 in diesem Endbereich. Dieser Abstand ist mit Se₁₅ gekennzeichnet.
Des Weiteren erkennt man, dass die Aufdickung 18 im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 ihre größte Profildicke d_max aufweist. Ausgehend von dieser größten Profildicke d_max die Profildicke d in Richtung des dem gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 gegenüberliegenden Endbereichs – üblicherweise ein Nabenbereich einer Strömungsmaschine – kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke d_norm des Schaufelblattprofils P ohne Aufdickung 18 hin ab. Weiterhin wird deutlich, dass die konvexe Kontur 20 der Aufdickung 18 an den Endender Aufdickung 18 tangential zur konkaven Kontur der Druckseite D des Schaufelblattprofils P verläuft. Man erkennt, dass die Aufdickung 18 zumindest teilweise höckerförmig ausgebildet ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller 22 angeordneten Schaufelblatts 10 ohne Aufdickung gemäß dem Stand der Technik. Das Schaufelblatt 10 ist dabei derart auf dem Drehteller 22 angeordnet, dass dessen Vorderkante 12 auf dem Drehteller 22 und dessen Hinterkante 14 über den Durchmesser des Drehtellers 22 hinausragt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Drehteller 22 angeordneten Schaufelblatts 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Drehteller 22 dient dabei zur Verstellung des Schaufelblatts 10 und ist innerhalb eines Gehäuses der Strömungsmaschine drehbar gelagert. Das Schaufelblatt 10 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart auf dem Drehteller 22 angeordnet, dass dessen Vorderkante 12 des Schaufelblatts 10 auf dem Drehteller 22 und dessen Hinterkante 14 über den Durchmesser des Drehtellers 22 hinausragt. Es wird wiederum deutlich, dass die Aufdickung 18 von der Vorderkante 12 und der Hinterkante 14 des Schaufelblatts 10 beabstandet ausgebildet ist. Im dargestellten gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts 10 weist die Aufdickung 18 ihre größte Profildicke d_max auf. Die Profildicke d der Aufdickung 18 nimmt wiederum ausgehend von der größten Profildicke d_max kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke d_norm des Schaufelblattprofils P hin ab. Des Weiteren wird deutlich, dass sich die Aufdickung 18 maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts 10 erstreckt, die 25% der Schaufelblatthöhe Sh entspricht. Aus dieser Darstellung des Schaufelblattprofils P wie auch der in 2 gezeigten Darstellung wird deutlich, dass die größte Profildicke d_max der Aufdickung 18 über die gedachte Linie der Sehnenlänge Se hinausragt. Dabei weist die in 4 gezeigte Aufdickung 18 relativ zu der in 2 dargestellten Aufdickung 18 eine größere Erstreckung E über die Druckseite D des Schaufelblatts 10 auf. Des Weiteren wird deutlich, dass die Aufdickung 18 außerhalb des Durchmessers des Drehtellers 22 endet.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist Teil einer Statorbeschaufelung eines Verdichters einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2841616 [0002]
- DE 102004026386 [0002]
- EP 0789447 B1 [0002]

Claims

Schaufelblatt einer Strömungsmaschine, insbesondere verstellbare Leitschaufel einer Gasturbine, mit mindestens einer Aufdickung (18) auf einer Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P), wobei die Aufdickung (18) in einem radial außenliegenden, gehäuseseitigen Bereich des Schaufelblatts (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) von einer Vorderkante (12) und einer Hinterkante (14) des Schaufelblatts (10) beabstandet ausgebildet ist.
Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) als konvexe Kontur (20) innerhalb der insgesamt konkaven Kontur der Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P) ausgebildet ist.
Schaufelblatt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts (10) ihre größte Profildicke (d_max) aufweist.
Schaufelblatt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profildicke (d) der Aufdickung (18) ausgehend von der größten Profildicke (d_max) kontinuierlich bis zu einer normalen Profildicke (d_norm) des Schaufelblattprofils (P) ohne Aufdickung (18) abnimmt.
Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aufdickung (18) maximal bis zu einer Höhe von dem gehäuse- und druckseitigen Bereich des Schaufelblatts (10) erstreckt, die 25% der Schaufelblatthöhe (Sh) entspricht.
Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Vorderkante (12) des Schaufelblatts (10) und der Aufdickung (18) im gehäuseseitigen Endbereich des Schaufelblatts (10) mindestens 15% einer Sehnenlänge (Se) des Schaufelblatts (10) in diesem Endbereich entspricht.
Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Kontur (20) der Aufdickung (18) an den Enden der Aufdickung (18) jeweils tangential zur konkaven Kontur der Druckseite (D) des Schaufelblattprofils (P) verläuft.
Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (18) zumindest teilweise wulst- oder höckerförmig ausgebildet ist.
Schaufelblatt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (10) gehäuseseitig mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Drehteller (22) verbunden ist.
Schaufelblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (12) und die Hinterkante (14) des Schaufelblatts (10) vollständig innerhalb des Durchmessers des Drehtellers (22) angeordnet sind.
Schaufelblatt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (12) und/oder die Hinterkante (14) des Schaufelblatts (10) über den Drehteller (22) hinausragt.
Schaufelblatt nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (14) über den Drehteller (22) hinausragt und die Aufdickung (18) außerhalb des Durchmessers des Drehtellers (22) endet.
Strömungsmaschine, insbesondere Gasturbine, mit einer Stator- und/oder Rotorbeschaufelung umfassend eine Vielzahl von Schaufelblättern (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verdichter einer Strömungsmaschine, insbesondere Niederdruckverdichter einer Gasturbine, mit einer Statorbeschaufelung umfassend eine Vielzahl von Schaufelblättern (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.