(19)
(11)EP 1 607 573 A1

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
21.12.2005  Patentblatt  2005/51

(21)Anmeldenummer: 04090215.7

(22)Anmeldetag:  02.06.2004
(51)Int. Kl.7F01D 5/14, F01D 5/16, F01D 5/26
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LI LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL HR LT LV MK

(71)Anmelder: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
15827 Dahlewitz (DE)

(72)Erfinder:
  • Johann, Erik
    12103 Berlin (DE)

(74)Vertreter: Wablat, Wolfgang 
Patentanwalt, Potsdamer Chaussee 48
14129 Berlin
14129 Berlin (DE)

 
Bemerkungen:
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86 (2) EPÜ.
 


(54)Verdichterschaufel mit verminderter aerodynamischer Schaufelanregung


(57) Die Verdichterschaufeln bei einem Flugzeugtriebwerk sind an der Schaufelvorderkante (6) zumindest in einem eigenschwingungskritischen Bereich so ausgebildet, dass sich der Vorderkantenstoß (14) an die Vorderkante (6) anlegt, so dass die laminare Grenzschichtströmung (7) auf der Saugseite (13) rasch in die turbulente Grenzschichtströmung (9) umschlägt, die aufgrund der weiteren kontinuierlichen Krümmung der Saugseite konstant bleibt und nicht relaminisiert. Die Transition, deren periodische Bewegung zudem unterdrückt ist, kann somit nicht mit dem saugseitigen Verdichtungsstoß (10) kommunizieren, so dass dieser nicht schwingungsverstärkend auf die unter bestimmten Flugbedingungen auftretenden Eigenschwingen der Schaufel wirkt. Die Schaufelvorderkante kann beispielsweise ellipsenförmig mit einem Halbachsenverhältnis von gleich oder kleiner 1:4 ausgebildet sein.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel mit verminderter aerodynamischer Schaufelanregung, insbesondere für den Fan von Flugzeugtriebwerken.

[0002] Die bei bestimmten Verdichterbauarten von Flugzeugtriebwerken verwendeten Verdichterschaufeln mit großer Sehnenlänge sind unter bestimmten Betriebsbedingungen einer Belastung ausgesetzt, die zu einer Beschädigung oder Lebensdauerverminderung der Verdichterschaufel und der Verdichterscheibe führen können.

[0003] Zur Verminderung der Festigkeitsbeanspruchung der Verdichterschaufeln wurde bereits vorgeschlagen, auf deren Saugseite in bestimmtem Abstand von der Schaufelvorderkante und parallel zu dieser und deutlich vor dem Bereich der auf die Schaufel wirkenden Verdichtungsstöße ein Strömungsübergangs-Fixierungsmittel in Form einer Oberflächenrauhigkeit auszubilden. Durch die örtliche Fixierung des Transitionsbereichs im Abstand von dem Verdichtungsstoßbereich wird eine Kopplung der beiderseitigen Oszillation im Transitions- und Verdichtungsstoßbereich unterdrückt oder zumindest eingeschränkt und letztlich auch die oszillierende Bewegung der Verdichtungsstöße verhindert oder soweit begrenzt, dass deren schwingungsverstärkende Rückwirkung auf die unter bestimmten Flugbedingungen auftretenden Eigenschwingungen der Verdichterschaufel, die schließlich zur Beschädigung der Verdichterschaufeln und der Verdichterscheibe führen kann, verhindert.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verdichterschaufeln zur Vermeidung der unter bestimmten Betriebsbedingungen an den Verdichterscheiben und -schaufeln auftretenden Schäden konstruktiv so auszubilden, dass unabhängig von der bereits vorgeschlagenen Fixierung des Strömungsübergangspunktes durch eine Oberflächenrauhigkeit auf der Verdichterschaufel-Saugseite die Oszillation der Verdichtungsstöße (Saugseitenstöße) und deren schwingungsverstärkende Kopplung an die Eigenschwingungen der Schaufeln dennoch verhindert oder eingeschränkt wird.

[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Verdichterschaufel gelöst. Aus den Unteransprüchen ergeben sich Ausgestaltungen und - in deren Kombination - vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0006] Das Wesen der Erfindung liegt in einer besonderen Gestaltung der Schaufelvorderkante derart, dass der dort wirkende Vorderkantenstoß nicht von der Vorderkante abreißt, sondern vielmehr an dieser anliegt, um in geringem Abstand von der Vorderkante die Transition von der laminaren in die turbulente Grenzschichtströmung zu bewirken und diese in dem von der Vorderkante ausgehenden kontinuierlichen Krümmungsverlauf der Saugseite nicht zu beschleunigen und damit konstant zu halten bzw. nicht zu relaminisieren. Der Transitionspunkt, dessen periodische Bewegung weitgehend unterdrückt ist und der zudem weit genug von dem Verdichtungsstoß auf der Saugseite entfernt ist, kann mithin nicht mit diesem kommunizieren und nicht schwingungsverstärkend auf diesen wirken. Dadurch wird die Rückwirkung der Schwingungen des Verdichtungsstoßes auf die unter bestimmten Flugbedingungen kritischen Eigenschwingungen unterdrückt oder zumindest so weit begrenzt, dass diese Eigenschwingungen nicht bzw. nicht soweit verstärkt werden, dass es durch eine die Festigkeitsgrenzen überschreitende Überbeanspruchung zu Materialschäden an den Verdichterschaufeln und/oder der Verdichterscheibe kommt.

[0007] Die Gestalt der Schaufelvorderkante kann beispielsweise sehr schlank ellipsenförmig oder parabolisch - mit einem Ellipsenverhältnis der kurzen Halbsehne zur langen Halbsehne gleich oder kleiner als 1 zu 4 - ausgeführt sein, wobei der Krümmungsverlauf auf der Saugseite kontinuierlich weiter verläuft. Diese Ausbildung bewirkt, dass der Vorderkantenstoß an der Vorderkante anliegt, die anfangs laminare Grenzströmung rasch, d.h. in geringem Abstand von der Schaufelvorderkante, in eine turbulente Grenzströmung umgewandelt und nicht beschleunigt und relaminisiert wird und der Transitionspunkt mithin nicht periodisch bewegt wird.

[0008] Die Vorderkante kann in dem oberen, eigenschwingungskritischen Bereich auch eine verzahnte Struktur oder taschenförmige Vertiefungen oder auch einen zurückgeschnittenen, als Pfeilung wirkenden Bereich aufweisen, um die oben erwähnten Wirkungen zu erzielen. Darüber hinaus sind auch andere Gestaltungen der Schaufelvorderkante denkbar, die ein Anlegen des Vorderkantenstoßes an die Schaufelvorderkante gewährleisten und entlang dem anschließenden saugseitigen Krümmungsverlauf eine Beschleunigung und Relaminisierung der turbulenten Grenzschichtströmung vermeiden. Es werden lokale Störungen in der Grenzschicht erzeugt, die die Strömungsübergangsfixierung fördern.

[0009] Gemäß einem noch anderen Erfindungsmerkmal kann die Saugseite bei einer in üblicher Weise ausgebildeten Vorderkante mit abgerissenem Vorderkantenstoß als S-Schlag ausgebildet sein, um eine rasche Transition sowie die Stabilisierung der turbulenten Grenzschichtströmung zu bewirken. Es ist jedoch auch denkbar, diesen Krümmungsverlauf auf der Saugseite mit einer Vorderkantenstruktur, die das Anlegen des Vorderkantenstoßes bewirkt, zu kombinieren.

[0010] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine Schnittansicht einer Verdichterschaufel mit modifizierter Vorderkante gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, einschließlich der grafischen Darstellung des an der Vorderkante der Verdichterschaufel anliegenden Stoßes und an der Saugseite wirkenden Verdichtungsstoßes sowie der entsprechenden Grenzschichtströmung;
Fig. 2
eine Seitenansicht eines Teils einer Verdichterschaufel mit einer gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schaufel anderen Gestaltung der Vorderkante ;
Fig. 3
eine Seitenansicht des Teils der Verdichterschaufel nach Fig. 2, jedoch mit einer gegenüber dieser modifizierten Gestaltung der Vorderkante;
Fig. 4
eine Seitenansicht einer noch anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verdichterschaufel; und
Fig. 5
eine Schnittansicht der Verdichterschaufel nach Fig. 1, jedoch mit nicht stetigem Krümmungsverlauf und dementsprechendem Grenzschichtströmungsverlauf auf der Saugseite.


[0011] Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Verdichterschaufeln 1 weisen in einem mit Bezug auf die Schaufelspitze 12 oberen Bereich eine spezifische Gestaltung (2 bis 5) der Schaufelvorderkante 6 auf, wodurch in diesem Schaufelbereich, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Anlegen des Vorderkantenstoßes 14 unmittelbar an der Schaufelvorderkante 6 und infolgedessen auf der Saugseite 13 der Verdichterschaufel 1 der in Fig. 1 wiedergegebene Grenzschichtströmungsverlauf erreicht wird. Das heißt, die in Fig. 1 dargestellten Verhältnisse treten auch bei den in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Verdichterschaufeln 1 auf.

[0012] Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Schaufelvariante hat die Schaufelvorderkante eine elliptisches (oder auch ein parabolisches) Querschnittsprofil 2, wobei das Verhältnis der beiden Halbachsen a/b kleiner oder gleich 1/4 ist. Das heißt, der Krümmungsradius der Vorderkante ist klein und die Schaufeldicke ist dementsprechend gering. Die Verdichterschaufel 1 weist im Querschnitt einen kontinuierlichen Krümmungsverlauf auf.

[0013] Bei der Schaufelvariante nach Fig. 2 ist in einem oberen Bereich der Schaufelvorderkante 6 eine Verzahnung 3 ausgebildet. Dabei wird im Wesentlichen ein Grenzschichtströmungsverlauf erzielt, der mit dem in Fig. 1 gezeigten übereinstimmt.

[0014] Gemäß der dritten Ausführungsvariante nach Fig. 3 sind anstelle der Verzahnung an der Schaufelvorderkante 6 nebeneinander mehrere taschenförmige Ausnehmungen 4 ausge-bildet, die im Wesentlichen den gleichen Effekt wie die oben beschriebene Verzahnung oder die Schaufelvorder-kante 6 mit dem angegebenen Ellipsenverhältnis haben.

[0015] Fig. 4 zeigt schließlich noch eine weitere Ausführungsform einer an der Schaufelvorderkante 6 erfindungsgemäß gestalteten Verdichterschaufel 1, wonach die Schaufelvorderkante 6 im oberen Bereich einen zurückgeschnittenen gekrümmten Abschnitt 5 zur Ausbildung einer Vorderkantenpfeilung aufweist. Wegen der dadurch bedingten unterschiedlichen Anströmung und des geänderten Verhältnisses zwischen der Anströmmachzahl und der Relativmachzahl wird auch in diesem Fall in dem betreffenden Vorderkantenbereich ein Anlegen des Stoßes an die Schaufelvorderkante 6 bewirkt.

[0016] Auch bei den Schaufelkonstruktionen nach Fig. 2 bis 4 weist die Schaufel bei geringer Dicke saugseitig einen kontinuierlichen Krümmungsverlauf auf.

[0017] Die in den Ausführungsvarianten 1 bis 4 angegebene Gestaltung der Schaufelvorderkante 6 in Verbindung mit dem Anliegen des Stoßes an dieser hat zur Folge, dass die anfangs laminare Grenzschichtströmung 7 schon in einem im geringen Abstand hinter der Schaufelvorderkante 6 liegenden Transitionspunkt 8 in eine turbulente Grenzschichtströmung 9 umschlägt und die Beschleunigung der Strömung ein bestimmtes Maß nicht überschreitet, so dass die turbulente Grenzschichtströmung 9 nicht relaminisiert wird, das heißt, turbulent bleibt. Die Schwingung des Transitionspunktes 8 ist mithin gering und sein Abstand von dem auf die Saugseite 13 der Verdichterschaufel 1 wirkenden Verdichtungsstoß 10, der üblicherweise in der Größenordnung von 45 bis 70% der Schaufelbreite von der Schaufelvorderkante 6 entfernt ist, ist so groß, dass eine schwingungsverstärkende Rückwirkung auf den saugseitigen Verdichtungsstoß 10 unterbleibt oder zumindest begrenzt ist. Da der Verdichtungsstoß 10 nicht mit der Grenzschichtströmung 7, 9 bzw. der unterbundenen periodischen Bewegung des Transitionspunktes 8 der Grenzschichtströmung kommunizieren kann, ist die Oszillation des Verdichtungsstoßes soweit eingeschränkt, das der Kopplungseffekt zwischen den an der Verdichterschaufel 1 unter bestimmten Bedingungen (Reynoldszahl, Machzahl, Strouhalzahl) auftretenden Eigenschwingungen (zweite und dritte Biegeschwingung, erste Torsionsschwingung) und den Verdichtungsstoßschwingungen unterdrückt wird und somit die Eigenschwingungen eine zur Beschädigung der Verdichterschaufeln und der Verdichterscheibe führende Größenordnung nicht überschreiten.

[0018] Gemäß den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Ausführungsformen hat die Verdichterschaufel 1 mit der jeweiligen speziellen Ausbildung der Schaufelvorderkante 6 auf der Saugseite 13 einen von der Vorderkante ausgehenden kontinuierlichen Krümmungsverlauf. Es ist aber auch - wie Fig. 5 zeigt - denkbar, die Krümmung an der Saugseite der Verdichterschaufel 1 als S-Schlag auszuführen, wonach im vorderen Bereich der Verdichterschaufel 1 eine konkav gekrümmte Mulde 11 ausgebildet ist.

[0019] Die an der Saugseite 13 verlaufende laminare Grenzschichtströmung 7 erfährt in der Mulde 11 eine Druckerhöhung, so dass in dem so vorgegebenen Transitionspunkt 8 ein Umschlag in die turbulente Grenzschichtströmung 9 erfolgt. Dabei ist die Beschleunigung am Ende der Mulde 11 so gering, dass die turbulente Grenzschichtströmung 9 konstant bleibt und vor dieser liegende Instabilitäten gedämpft werden. Grundsätzlich kann im Falle der nach Fig. 5 unstetig gekrümmten Saugseite der Verdichterschaufel 1 deren Vorderkante 6 in der üblichen Weise, das heißt, dicker bzw. mit einem Ellipsenverhältnis von beispielsweise a/b gleich 1/2 ausgebildet sein. Vorzugsweise wird aber die unstetig gekrümmte Form der Saugseite in Kombination mit einer der in den Figuren 1 bis 4 wiedergegebenen Ausführungsvarianten angewendet, um die turbulente Grenzschichtströmung noch besser zu stabilisieren und eine Relaminisierung und damit die periodische Bewegung des Transitionspunktes zu verhindern.

Bezugszeichenliste



[0020] 
1
Verdichterschaufel
2
Schaufelvorderkantenstruktur: elliptisch
3
Schaufelvorderkantenstruktur: Verzahnung
4
Schaufelvorderkantenstruktur: taschenförmige Ausnehmungen
5
Schaufelvorderkantenstruktur: zurückgeschnittener Abschnitt
6
Schaufelvorderkante
7
Laminare Grenzschichtströmung
8
Transitionspunkt
9
Turbulente Grenzschichtströmung
10
Verdichtungsstoß, Saugseitenstoß
11
Saugseitige Mulde, S-Schlag
12
Schaufelspitze
13
Saugseite
14
Vorderkantenstoß



Ansprüche

1. Verdichterschaufel mit verminderter aerodynamischer Schaufelanregung, insbesondere für den Fan von Flugzeugtriebwerken, die eine Saug- und Druckseite sowie eine Schaufelvorder- und -hinterkante umfasst, wobei im Bereich der Vorderkante ein Vorderkantenstoß sowie auf der Saugseite eine Grenzschichtströmung und ein oszillierender Verdichtungsstoß wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) mindestens in einem eigenschwingungskritischen Schaufelbereich so strukturiert ist, dass sich der Vorderkantenstoß (14) an die Schaufelvorderkante (6) anlegt, wodurch die zunächst laminare Grenzschichtströmung (7) in geringem Abstand von der Schaufelvorderkante (6) im Transitionspunkt (8) in die turbulente Grenzschichtströmung (9) umschlägt, die im Rahmen eines von der Schaufelvorderkante (6) ausgehenden kontinuierlichen Krümmungsverlaufs auf der Saugseite (13) nicht beschleunigt und relaminisiert, so dass die periodische Bewegung der Transition unterdrückt ist und diese nicht mit dem Verdichtungsstoß (10) auf der Saugseite kommuniziert.
 
2. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) als elliptisches oder parabolisches Querschnittsprofil (2) strukturiert ist, wobei das Ellipsenverhältnis (a : b) gleich oder kleiner 1 zu 4 ist, um das anlegen des Vorderkantenstoßes (14) unmittelbar an die Schaufelvorderkante (6) zu bewirken.
 
3. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) einen Abschnitt mit einer Verzahnung (3) aufweist, um das Anlegen des Vorderkantenstoßes (14) zu bewirken.
 
4. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) einen Abschnitt mit taschenförmigen Ausnehmungen (4) aufweist, um das Anlegen des Vorderkantenstoßes (14) zu bewirken.
 
5. Verdichterschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) einen als Pfeilung wirkenden zurückgeschnittenen Abschnitt (5) aufweist, um in diesem Bereich das Anlegen des Vorderkantenstoßes zu bewirken.
 
6. Verdichterschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zurückgeschnittene Abschnitt (5) konkav gekrümmt ist.
 
7. Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite (13) als S-Schlag geformt ist, der im Bereich der laminaren Grenzschichtströmung (7) auf der Saugseite eine Mulde (11) bildet, um durch Druckerhöhung den Umschlag in die turbulente Grenzschichtströmung (9) zu bewirken und deren Beschleunigung klein und die Grenzschichtströmung selbst konstant zu halten.
 
8. Verdichterschaufel für den Verdichter, insbesondere den Fan, von Flugzeugtriebwerken, die eine Saug- und Druckseite sowie eine Schaufelvorder- und -hinterkante umfasst, wobei im Bereich der Vorderkante ein Vorderkantenstoß sowie auf der Saugseite eine Grenzschichtströmung und ein oszillierender Verdichtungsstoß wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelvorderkante (6) eine das Abreißen des Vorderkantenstoßes bewirkende Struktur aufweist, wobei die Saugseite als S-Schlag geformt ist, der im Bereich der laminaren Grenzschichtströmung (7) eine Mulde (11) bildet, um durch Druckerhöhung die Transition in die turbulente Grenzschichtströmung (9) festzulegen und deren Beschleunigung klein sowie die Grenzschichtströmung (9) selbst konstant zu halten.
 


Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.


1. Verdichterschaufel mit verminderter aerodynamischer Schaufelanregung, insbesondere für den Fan von Flugzeugtriebwerken, die eine Saug- und Druckseite sowie eine Schaufelvorder- und -hinterkante umfasst, wobei im Bereich der Vorderkante ein Vorderkantenstoß und auf der Saugseite eine in einem Transitionspunkt von laminar nach turbulent umschlagende Grenzschichtströmung sowie ein oszillierender Verdichtungsstoß wirken, gekennzeichnet durch eine strömungsbeeinflussende (die Strömungsparameter verändernde), mindestens in einem eigenschwingungskritischen Schaufelbereich veränderte Schaufelvorderkantenkontur (2 bis 5) zum Anlegen des Vorderkantenstoßes (14) an die Schaufelvorderkante (6), so dass der Transitionspunkt (8) nahe der Schaufelvorderkante (6) ist und die turbulente Grenzschichtströmung (9) entlang eines von der Schaufelvorderkante (6) ausgehenden kontinuierlichen Krümmungsverlaufs auf der Saugseite (13) nicht beschleunigt und relaminisiert und somit die periodische Bewegung der Transition unterdrückt wird und nicht mit dem Verdichtungsstoß (14) kommuniziert.
 




Zeichnung