Verdichterschaufel für einen Verdichter und Verdichter

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel (50) eines Verdichters (9), welche entlang einer Hauptachse (53) einen Schaufelfuß (55), einen Plattformbereich (59) und ein sich daran anschließendes Schaufelprofil (61) mit einer Profilspitze aufweist, welches Schaufelprofil (61) von einer konvexen Saugseitenwand (69) und einer der Saugseitenwand (69) gegenüberliegenden konkaven Druckseitenwand (67) gebildet wird, welche Flächen, bezogen auf ein Strömungsmedium, sich von einer Anströmkante (65) zu einer Abströmkante (65) erstrecken und zwischen denen eine Profilmittenlinie (71) mittig verläuft, wobei
an der Profilspitze (72) eine quer zur Hauptachse (53) stehende Stirnseitenfläche (73) angeordnet ist, an der eine Dichtlippe (75) zumindest teilweise von der Anströmkante (65) zur Abströmkante (65) verläuft.
Um eine kostengünstige Verdichterschaufel mit einer modifizierten Dichtlippe anzugeben, deren Dichtwirkung unverändert ist, wird vorgeschlagen, dass die Dichtlippe im Abstand von Saugseitenwand (69) und von Druckseitenwand (67) entlang der Profilmittellinie verläuft.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel für einen Verdichter, welche entlang einer Hauptachse einen Schaufelfuß, einen Plattformbereich und ein sich daran anschließendes Schaufelprofil mit einer Profilspitze aufweist, welches Schaufelprofil von einer konvexen Saugseitenwand und einer der Saugseitenwand gegenüberliegenden konkaven Druckseitenwand gebildet wird, welche Flächen, bezogen auf ein Strömungsmedium, sich von einer Anströmkante zu einer Abströmkante erstrecken und zwischen denen eine Profilmittenlinie mittig verläuft, wobei an der Profilspitze eine quer zur Hauptachse stehende Stirnseitenfläche angeordnet ist, an der eine Dichtlippe zumindest teilweise von der Anströmkante zur Abströmkante verläuft.

[0002] Aus der JP-A-2000130102 ist eine Verdichterlaufschaufel mit solch einem Schaufelprofil bekannt. Das freie Ende des Schaufelprofils weist eine Stirnfläche auf, an der eine lippenartige Rippe im Bereich der Saugseite des Schaufelprofils von einer Anströmkante zu einer Abströmkante verläuft. Die Rippe der Verdichterlaufschaufel dient beim Betrieb des Verdichters als Dichtelement, um die Spitzenspaltverluste im Verdichter, welche zwischen der Schaufelspitze und der Begrenzung des Verdichterkanals auftreten, zu verringern.

[0003] Die Herstellung einer solchen Dichtrippe an der Saugseite der Schaufel mit einer Anstreifkante kann insbesondere bei stark randzonenkorrigierten, d.h. im Spitzenbereich besonders stark gekrümmten, Schaufeln kostenintensiv sein, da die Herstellung bzw. die Konturfräsung mittels eines Fünf-Achs-Fräsers durchgeführt wird. Nach dem Fräsen der Saugseitenwand und der Dichtlippengeometrie wird die Schaufel saugseitig manuell geschliffen, um die geforderte Oberflächengüte zu erzielen. Diese manuelle Bearbeitung führt zu häufigen Fertigungsfehlern mit entsprechenden Nachteilen, wie z.B. Ausschuss bzw. nicht optimalen Konturen.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstige Verdichterschaufel anzugeben, ohne die Dichtwirkung der Dichtlippe zu vermindern. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, hierzu einen Verdichter anzugeben.

[0005] Die auf die Verdichterschaufel bezogene Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.

[0006] Die Erfindung schlägt vor, dass die Dichtlippe im Abstand von Saugseitenwand und von Druckseitenwand entlang der Profilmittenlinie verläuft.

[0007] Mittels der Erfindung wird die Position der Dichtlippe an der Profilspitze derart verändert, dass fehleranfällige und kostenintensive Fertigungsschritte entfallen. Durch die neu gewählte Position der Dichtlippe kann deren Herstellung mittels eines Drei-Achs-Fräsers erfolgen. Darüber hinaus entfällt die manuelle Nachbearbeitung ersatzlos.

[0008] Somit verkürzt sich der Herstellungsprozess, da die neue Dichtlippengeometrie aufgrund ihrer Einfachheit schneller hergestellt werden kann. Ferner führt der Wegfall der manuellen Nachbearbeitung zu einer wesentlich höheren Prozesssicherheit.

[0009] Berechnungen zeigen, dass die neu gewählte Position der Dichtlippe an der Stirnseitenfläche keinen negativen Einfluss auf die aerodynamische Leistungsfähigkeit des Schaufelprofils hat.

[0010] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] Insbesondere, wenn die Dichtlippe eine saugseitige Seitenfläche und eine druckseitige Seitenfläche aufweist, welche parallel zur Hauptachse verlaufen, kann diese besonders einfach und somit kostengünstig hergestellt werden. Darüber empfiehlt es sich, die beiden Seitenflächen so zu fertigen, dass sie auch parallel zur Profilmittenlinie verlaufen. Folglich sind die Seitenflächen der Dichtlippe nicht aerodynamisch geformt, d.h. nicht zur Hauptachse geneigt, wie die Seitenwände des Schaufelprofils. Weiterhin vermindert die Dichtlippe die Spitzenspaltverluste über die Profilspitze hinweg.

[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Seitenflächen der Dichtlippe mittels einer Anstreiffläche miteinander verbunden, welche Anstreiffläche senkrecht zu dem Radius des Rotors des Verdichters steht. Somit kann zwischen Gehäuse- bzw. Nabenbauteilen und der Verdichterschaufel ein zylindrischer Spalt gebildet werden, welcher die Spaltverluste reduziert.

[0013] Die erfindungsgemäße Verdichterschaufel lässt sich in gleicher Weise vorteilhaft als Laufschaufel wie auch als Leitschaufel verwenden.

[0014] Die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst. Die Lösung schlägt vor, dass der Verdichter mit mindestens einer Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bestückt ist.

[0015] Die Vorteile des Verdichters entsprechen den Vorteilen der Verdichterschaufel.

[0016] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

einen Längsteilschnitt durch eine Gasturbine mit einem Verdichter,

FIG 2

eine erfindungsgemäße Verdichterschaufel in einer perspektivischen Ansicht und

FIG 3

eine Detailansicht einer Anstreiffläche einer Verdichterschaufel.

[0017] Verdichter und Gasturbinen sowie deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt. Hierzu zeigt FIG 1 eine Gasturbine 1 mit einem um eine Rotationsachse 3 drehbar gelagerten Rotor 5.

[0018] Entlang der Rotationsachse 3 weist die Gasturbine 1 ein Ansaughaus 7, einen Verdichter 9, eine torusartige Ringbrennkammer 11 und eine Turbineneinheit 13 auf.

[0019] Sowohl im Verdichter 9 als auch in der Turbineneinheit 13 sind Leitschaufeln 15 und Laufschaufeln 17 jeweils in Kränzen angeordnet. Im Verdichter 9 folgt dabei einem Laufschaufelkranz 19 ein Leitschaufelkranz 21. Die Laufschaufeln 17 sind dabei am Rotor 5 mittels Rotorscheiben 23 befestigt, wohingegen die Leitschaufeln 15 feststehend am Gehäuse 25 montiert sind.

[0020] Ebenso sind in der Turbineneinheit 13 Kränze 21 aus Leitschaufeln 15 angeordnet, denen jeweils in Richtung des Strömungsmediums gesehen ein Kranz aus Laufschaufeln 17 folgt.

[0021] Die jeweiligen Schaufelprofile der Leitschaufeln 15 und der Laufschaufeln 17 erstrecken sich dabei strahlenförmig in einem ringförmigen Strömungskanal 27.

[0022] Beim Betrieb der Gasturbine 1 wird vom Verdichter 9 Luft 29 durch das Ansaughaus 7 angesaugt und verdichtet. Am Austritt 31 des Verdichters 9 wird die verdichtete Luft zu den Brennern 33 geführt, welche auf einem Ring liegend an der Ringbrennkammer 11 vorgesehen sind. In den Brennern wird die verdichtete Luft 29 mit einem Brennmittel 35 vermischt, welches Gemisch in der Ringbrennkammer 11 zu einem Heißgas 37 verbrannt wird. Anschließend strömt das Heißgas 37 durch den Strömungskanal 27 der Turbineneinheit 13 an Leitschaufeln 15 und Laufschaufeln 17 vorbei. Dabei entspannt sich das Heißgas 37 an den Laufschaufeln 17 der Turbineneinheit 13 arbeitsleistend. Hierdurch wird der Rotor 5 der Gasturbine 1 in eine Drehbewegung versetzt, welche zum Antrieb des Verdichters 9 und zum Antrieb einer nicht dargestellten Arbeitsmaschine dient.

[0023] FIG 2 zeigt eine Verdichterschaufel 50 in einer perspektivischen Ansicht. Die Verdichterschaufel 50 weist entlang einer Hauptachse 53 einen Schaufelfuß 55, einen Plattformbereich 27 mit einer Plattform 59 und ein Schaufelprofil 61 auf. Das Schaufelprofil 61 wird beim Betrieb des Verdichters 9 von Luft 29 umströmt, die das Schaufelprofil 61 an einer Anströmkante 63 an- und von einer Abströmkante 65 abströmt. Das Schaufelprofil 61 wird dabei von einer Druckseitenwand 67 und von einer Saugseitenwand 69 gebildet.

[0024] Von der Anströmkante 63 zur Abströmkante 65 verläuft eine Profilmittenlinie 71, die an jeder Stelle ihres Verlaufes eine Senkrechte aufweist, welche Senkrechte 74 sowohl die Saugseitenwand 69 als auch die Druckseitenwand 67 schneidet. Dabei ist jeweils ein erster Abstand A zwischen den Schnittpunkten der Senkrechten 74 mit der Profilmittenlinie 71 und der Druckseitenwand 67 mit der Senkrechten 74 identisch zu einem zweiten Abstand B, welcher zwischen den Schnittpunkten der Profilmittenlinie 71 mit der Senkrechten 74 und der Saugseitenwand 69 mit der Senkrechten 74, vorliegt.

[0025] Ferner weist das Schaufelprofil 61 an seiner der Plattform 59 abgewandten Profilspitze 72 eine Stirnseitenfläche 73 auf, an der eine Dichtlippe 75 angeordnet ist. Die Dichtlippe 75 ist schmaler als das Schaufelprofil 61, erstreckt sich von Anströmkante 63 zur Abströmkante 65 und verläuft entlang der Profilmittenlinie 71, also im Abstand zwischen der Kontur der Saugseitenwand 69 und der Druckseitenwand 67.

[0026] Die Dichtlippe 75 weist eine der Druckseitenwand 67 zugewandte erste Seitenfläche 77 und eine der Saugseitenwand 69 zugewandte zweite Seitenfläche 79 auf.

[0027] Die gekrümmten Seitenflächen 77, 79 der Dichtlippe 75 verlaufen parallel zur Hauptachse 53 und auch parallel zur Profilmittenlinie 71, wohingegen die Saugseitenwand 69 des Schaufelprofils 61 als auch die Druckseitenwand 67 des Schaufelprofils 61 aus aerodynamischen Gründen geneigt, d.h. schräg, zur Hauptachse 53 verlaufen. Verglichen mit einer Schaufel aus dem Stand der Technik kann hierdurch eine vereinfachte Herstellung der Dichtlippe 75 erzielt werden.

[0028] Ferner sind die Seitenflächen 77, 79 der Dichtlippe 75 mittels einer Anstreiffläche 81, auch Anstreifkante genannt, miteinander verbunden, welche Anstreiffläche 81 senkrecht zu dem Radius des Rotors 5 des Verdichters 9 steht.

[0029] FIG 3 zeigt eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Anstreifkante. Hierbei ist klar ersichtlich, dass die Dichtlippe 75 mittig zwischen der Saugseitenwand 69 und der Druckseitenwand 67 von der Anströmkante 63 zur Abströmkante 65 verläuft mit parallel zur Hauptachse 53 und zur Profilmittenlinie 71 ausgerichteten Seitenflächen 77, 79.

[0030] Durch die neue Geometrie und Position der Dichtlippe 75 entfallen fehleranfällige und kostenintensive Fertigungsschritte. Hierdurch können sowohl die Fertigungskosten als auch die Ausschussrate der hergestellten Verdichterschaufeln 50 reduziert werden. Eine Verschlechterung der Spitzenspaltverluste über den Radialspalt zwischen Verdichterschaufel 50 und Innengehäuse tritt dabei nicht auf, ebenso wenig wie Strömungsverluste aufgrund der unwesentlich verringerten aerodynamisch wirksamen Profilfläche.

Ansprüche

1. Verdichterschaufel (50) eines Verdichters (9),
welche entlang einer Hauptachse (53) einen Schaufelfuß (55), einen Plattformbereich (59) und ein sich daran anschließendes Schaufelprofil (61) mit einer Profilspitze (72) aufweist,
welches Schaufelprofil (61) von einer konvexen Saugseitenwand (69) und einer der Saugseitenwand (69) gegenüberliegenden konkaven Druckseitenwand (67) gebildet wird, welche Flächen, bezogen auf ein Strömungsmedium, sich von einer Anströmkante (65) zu einer Abströmkante (65) erstrecken und zwischen denen eine Profilmittenlinie (71) mittig verläuft, wobei
an der Profilspitze (72) eine quer zur Hauptachse (53) stehende Stirnseitenfläche (73) angeordnet ist,
an der eine Dichtlippe (75) zumindest teilweise von der Anströmkante (65) zur Abströmkante (65) verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtlippe (75) im Abstand von Saugseitenwand (69) und von Druckseitenwand (67) entlang der Profilmittenlinie (71) verläuft.

2. Verdichterschaufel nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtlippe (75) eine saugseitige Seitenfläche (79) und eine druckseitige Seitenfläche (77) aufweist, welche parallel zur Hauptachse (53) verlaufen.

3. Verdichterschaufel nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Seitenflächen (79, 79) parallel zu der Profilmittenlinie (71) verlaufen.

4. Verdichterschaufel (50) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Seitenflächen (77,79) der Dichtlippe (75) mittels einer Anstreiffläche (81) miteinander verbunden sind, welche Anstreiffläche (81) senkrecht zu dem Radius des Rotors (5) des Verdichters (9) steht.

5. Verdichter (9),
insbesondere für eine Gasturbine (1),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verdichter (9) mit mindestens einer Verdichterschaufel (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bestückt ist.

Zeichnung