Verdichterschaufel und ein Verfahren zum Konstruieren einer Verdichterschaufel

Abstract

 Es wird eine Verdichterschaufel (1) mit einer eine Plattformoberfläche (33) aufweisenden Plattform (19) vorgestellt, an welcher Plattformoberfläche (33) ein sich quer dazu entlang einer Schaufelachse (21) erstreckendes Schaufelblatt (7) mit einer gekrümmten Saugseitenfläche sowie einer gekrümmten der Saugseitenfläche (17) gegenüberliegenden Druckseitenfläche (15) angeordnet ist, welche Seitenflächen (15,17) sich jeweils über eine Schaufelblattlänge von einer Schaufelvorderkante (11) zu einer Schaufelhinterkante (13) erstrecken und wobei das Schaufelblatt (7) in Richtung der Schaufelachse (21) kontinuierlich ineinander übergehende plattformnahe, mittlere und plattformferne Blattbereiche (23,25,27) aufweist. Um eine Verdichterschaufel anzugeben, die bezüglich des Wirkungsgrades besonders gute Eigenschaften aufweist, wird vorgeschlagen, dass zumindest über einen Teil der Schaufelblattlänge zwischen Schaufelvorderkante (11) und Schaufelhinterkante (13) jeweils die Saugseitenfläche (17) der plattformnahen Blattbereiche (23) derart gegenüber der angrenzenden Plattformoberfläche (33) geneigt ist, dass sie einen stumpfwinkligen Saugseitenwinkel (α) einschließen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Verdichter gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren zum Konstruieren einer Verdichterschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

[0002] Aus der WO98/59175 ist eine Verdichterschaufel für große Reynoldszahlen bekannt. Es wird ausgeführt, dass das Schaufelblatt eine konvex gekrümmte Saugseitenkontur und eine konkav gekrümmte Druckseitenkontur aufweist, welche sich jeweils von einem Schaufelvorderkantenpunkt zu einem Schaufelhinterkantenpunkt erstrecken. Um ein bezüglich der Strömungsverluste optimiertes Schaufelblatt anzugeben, ist die maximale Profildicke zwischen Saugseitenkontur und Druckseitenkontur in dem vorderen Drittel des Abstandes zwischen Schaufelvorderkantenpunkt und Schaufelhinterkantenpunkt angeordnet.

[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichterschaufel und einen damit bestückten Verdichter anzugeben, die bezüglich des Wirkungsgrades besonders gute Eigenschaften aufweisen. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Konstruieren einer solchen Verdichterschaufel.

[0004] Die Lösung der erstgenannten Aufgabe sieht vor, dass zumindest über einen Teil der Schaufelblattlänge jeweils die Saugseitenflächen der plattformennahen Blattbereiche derart gegenüber der angrenzenden Plattformoberfläche geneigt ist, dass sie einen stumpfen Saugseitenwinkel einschließen.

[0005] Bisher wurde zur Konstruktion des Schaufelblatts dieses entlang der Schaufelachse in Bereiche unterteilt und für jeden Bereich ein optimaler Profilquerschnitt in Anhängigkeit von den lokalen Strömungsverhältnissen berechnet. Diese Profilquerschnitte, so genannte Schaufelschnitte, sind anschließend zu einem Schaufelblatt zusammengesetzt worden, indem deren Flächenschwerpunkte auf einer Geraden, welche annähernd parallel zum Radius des Rotors des Verdichters als Fädelungslinie verläuft, aufgefädelt wurden. Unter der Berücksichtigung, dass in Randbereichen, die an den Laufschaufeln radial innen liegen bzw. an den Leitschaufeln radial außen liegen, eine vergleichsweise große Strömungsumlenkungen erforderlich ist, entstand ein Schaufelblatt, bei der an dieser Stelle eine vergleichsweise geringe Wölbung im Schaufelvorderkantenbereich und eine stärkere Wölbung im Schaufelhinterkantenbereich auftrat und bei der die Saugseitenfläche und die Plattformoberfläche im plattformnahen Blattbereich bisher derart zueinander geneigt waren, dass sie einen spitzen Winkel einschlossen.

[0006] Die beim Betrieb des Verdichters im plattformnahen Blattbereich vorliegende Randströmung führte zu einer erhöhten Ablösegefahr der Strömung der bereits aerodynamisch hochbelasteten Schaufelprofile auf Grund der spitzwinkligen Geometrie.

[0007] Die Erfindung wendet sich von der konventionellen Stapelung der Profilquerschnitte auf einer Geraden ab. Die Fädelungslinie wird im plattformnahen Blattbereich derart modifiziert, dass sie in Richtung der Saugseite und ggf. in Richtung der Schaufelhinterkante gekrümmt wird.

[0008] Durch die Erfindung wird die Form des Schaufelblatts im plattformnahen Blattbereich derart modifiziert, dass aerodynamisch günstige stumpfe Winkel zwischen der Schaufelsaugseite und der Plattformoberfläche entstehen. Trotz der Beibehaltung der größeren Umlenkung wird die Gefahr der verlustbehafteten Ablösung der Randströmung vermindert, was zu einer signifikanten Erweiterung des Arbeitsbereichs des Verdichters führt. Somit kann das üblicherweise für Nennlast ausgelegte Schaufelblatt ebenso effizient für kleinere Massenströme, wie sie beim Teillastbetrieb auftreten, eingesetzt werden. Insbesondere kann ebenso der Arbeitsbereichs einer Gasturbine erweitert werden, wenn diese einen Verdichter aufweist, welcher mit den erfindungsgemäßen Verdichterschaufeln bestückt ist.

[0009] Eine auf diese Art und Weise modifizierte Verdichterschaufel bietet den Vorteil, insbesondere bei Strömungsverhältnissen mit großen Reynoldszahlen und hohen Turbulenzgraden, besonders niedrige aerodynamische Verluste aufzuweisen. Die Begriffe Reynoldszahl und Turbulenzgrad sind hierbei entsprechend der Definition in dem Buch "Strömungslehre" von Heinz Schade und Ewald Kunz, Verlag Walter De Gruyter, Berlin und New York, 1989, Seite 290 bzw. 325, zu verstehen.

[0010] Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei welcher der stumpfe Winkel zumindest im Bereich der Schaufelhinterkante vorgesehen ist.

[0011] Die Strömung im Verdichter weist einen von der Schaufelvorderkante sich zur Schaufelhinterkante erstreckenden ansteigenden Druckgradienten auf, der die subsonische Geschwindigkeit der Strömung verzögert. Daher war bisher die Gefahr einer verlustbehafteten Strömungsablösung besonders im plattformnahen Blattbereich der Schaufelhinterkante gegeben, die durch die Ausgestaltung verringert wird.

[0012] Vorteilhafterweise erstreckt sich die Schaufelhinterkante in den plattformnahen Blattbereichen weiter stromabwärts als in den mittleren Blattbereichen.

[0013] Der stumpfe Saugseitenwinkel zwischen Saugseitenfläche und Plattformoberfläche kann besonders einfach erreicht werden, wenn das Schaufelblatt in der Weise in sich verdreht ist, dass die Schaufelhinterkante in den plattformnahen Blattbereichen gegenüber den mittleren Blattbereichen in Richtung der Saugseite versetzt ist.

[0014] In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Druckseitenfläche der plattformnahen Blattbereiche im Schaufelhinterkantenbereich eine stärkere Krümmung auf als die Druckseitenfläche der mittleren oder plattformfernen Blattbereiche. Hierdurch wird erreicht, dass eine größere Umlenkung durch das Schaufelblatt in den Randbereichen, wie sie z.B. im radial innen liegenden Bereich für Laufschaufeln bzw. im radial außen liegenden Bereich für Leitschaufeln gefordert ist, erreicht wird.

[0015] Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag ist im Bereich der Schaufelhinterkante die Druckseitenfläche der plattformnahen Blattbereiche derart zur angrenzenden Plattformoberfläche geneigt, dass sie zumindest an einigen Stellen einen Winkel einschließen, der 90° oder kleiner ist.

[0016] Das Schaufelblatt weist von der Plattformoberfläche bis zu einer Blattspitze eine Blatthöhe auf. Zweckmäßigerweise sind die plattformnahen Blattbereiche von der Plattformoberfläche in einem Abstand von maximal 15% der Blatthöhe beabstandet.

[0017] Die vorliegende Erfindung eignet sich sowohl als für Laufschaufel als auch für Leitschaufel ausgebildete Verdichterschaufeln.

[0018] Die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 8 und die letztgenannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 9 gelöst.

[0019] Die für die Verdichterschaufel angeführten Vorteile gelten sinngemäß auch für den Verdichter.

[0020] Das Verfahren zum Konstruieren einer Verdichterschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Flächenschwerpunkte jeder zur Schaufelachse senkrecht stehenden Querschnittsfläche auf einer Fädelungslinie gestapelt werden, welche Fädelungslinie im mittleren und plattformfernen Blattbereich als Gerade verläuft, sieht vor, dass die Fädelungslinie im plattformnahen Blattbereich gegenüber der gedachten Verlängerung der Geraden dergestalt abweicht, dass im Bereich der Schaufelhinterkante die Saugseitenfläche mit der Plattform einen stumpfen Saugseitenwinkel einschließt.

[0021] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1

eine perspektivische Darstellung einer Verdichterschaufel im Strömungskanal eines Verdichters nach dem Stand der Technik,

Fig. 2

eine perspektivische Detailansicht einer Verdichterschaufel gemäß Fig. 1 im plattformnahen Blattbereich nach dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Verdichterschaufel im plattformnahen Blattbereich und

Fig. 4

unterschiedliche Profilquerschnitte der erfindungsgemäßen Verdichterschaufel.

[0022] Verdichter mit Verdichterschaufeln sind allgemein bekannt. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Verdichters mit drei Verdichterschaufeln 1, die im Verdichter kranzförmig um den Rotor des Verdichters (nicht dargestellt) angeordnet sind und welche eine Leitschaufelreihe 3 einer Verdichterstufe bilden. Die Verdichterschaufeln 1 sind mit ihrem Schaufelfuß jeweils radial außen an einem Leitschaufelträger des Verdichters befestigt (nicht gezeigt). Die Verdichterschaufel 1 weist entlang einer Schaufelachse 21 aufeinanderfolgend den Schaufelfuß, eine Plattform 19 und ein zur Plattform 19 sich quer dazu erstreckendes Schaufelblatt 7 auf, welches in einem Strömungskanal 9 des Verdichters angeordnet ist. Das Schaufelblatt 7 erstreckt sich von einer Schaufelvorderkante 11 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums zu einer Schaufelhinterkante 13. Dabei weist die Verdichterschaufel 1 eine konkav gekrümmte Druckseitenwand 14 mit einer Druckseitenfläche 15 und eine der Druckseitenwand 14 gegenüberliegende konvex gekrümmte Saugseitenwand 16 mit einer Saugseitenfläche 17 auf.

[0023] Die Plattformen 19 der Verdichterschaufeln 1 begrenzen den Strömungskanal 9 radial außen.

[0024] Die Schaufelachse 21 der Verdichterschaufel 1 stimmt mit der Radialrichtung des Rotors des Verdichters annähernd überein. Entlang der Schaufelachse 21 geht das Schaufelblatt 7 von einem plattformnahen Blattbereich 23 über einen mittleren Blattbereich 25 in einen plattformfernen Blattbereich 27 kontinuierlich über.

[0025] Eine Schaufelskelettlinie 30 erstreckt sich von der Schaufelvorderkante 11 zu der Schaufelhinterkante 13 quer zur Schaufellängsachse 21 und verläuft mittig zwischen Saugseitenoberfläche 17 und Druckseitenoberfläche 15.

[0026] Im plattformnahen Blattbereich 23 wird zwischen den Saugseitenflächen 17 und einer von der Plattform 19 gebildeten Oberfläche 33 ein Saugseitenwinkel α eingeschlossen.

[0027] Der Saugseitenwinkel α wird von zwei Schenkeln 26a, 26b eingeschlossen, die beide in einer gedachten zur Schaufelskelettlinie 30 senkrecht liegenden Ebene 29 liegen. Der erste Schenkel 26a ist durch die Schnittlinie der Plattformoberfläche 33 mit der Ebene 29 und der zweite Schenkel 26b mittels einer Tangente an der Saugseitenoberfläche 17 im plattformnahen Blattbereich 23 definiert. Dabei wird die Tangente von der Plattformoberfläche 33 in einem Abstand von 5% bis 10% der Blatthöhe an der Saugseitenfläche angelegt.

[0028] Die Druckseitenfläche 15 und die Saugseitenfläche 17 schneiden sich mit einer jeden zur Schaufelachse 21 senkrecht stehenden Ebene in einem Profilquerschnitt 31 des Schaufelblatts 7.

[0029] Zum Konstruieren der Verdichterschaufel 1 gemäß des Standes der Technik werden die Flächenschwerpunkte sämtlicher Profilquerschnitte 31 auf einer sich parallel zur Schaufelachse 21 der Verdichterschaufel 1 erstreckenden Gerade gestapelt, d.h. aufgefädelt. Zur Anpassung an die lokalen Strömungsbedingungen im Strömungskanal 9 ändern sich die Profilquerschnitte 31 in Abhängigkeit vom radialen Abstand zur Drehachse des Rotors, wobei ein im plattformnahen Blattbereich 23 leicht abgeänderter Profilquerschnitt 31 im Vergleich zu den Profilquerschnitten 31 der mittleren und plattformfernen Blattbereiche 25, 27 verwendet wird.

[0030] Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer Verdichterschaufel 1 im plattformnahen Blattbereich 23 gemäß Fig. 1 nach dem Stand der Technik. Die Schaufelhinterkante 13 verläuft im mittleren Blattbereich 25 im wesentlichen parallel zur Schaufelachse 21 und verlagert sich im plattformnahen Blattbereich 23 im weiteren Verlauf in Richtung der Druckseitenfläche 15, aufgrund der zu Fig. 1 beschriebenen Konstruktionsmethode.

[0031] Daher schließt die Saugseitenfläche 17 mit der Oberfläche 33 der Plattform 19 der Verdichterleitschaufel 1 gemäß des Standes der Technik einen spitzen Saugseitenwinkel α ein.

[0032] Einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1 zeigt Fig. 3, wobei die Verdichterschaufel 1 als Leitschaufel oder auch als Laufschaufel eines Verdichters ausgebildet sein kann. Analog zur Verdichterschaufel 1 aus Fig. 2 sind die dargestellten Teile in Fig. 3 bezeichnet. Im Unterschied zu Fig. 2 weist die erfindungsgemäße Verdichterschaufel 1 in Fig. 3 einen stumpfwinkligen Saugseitenwinkel α auf, da die erfindungsgemäß modifizierte Fädelungslinie 37 im plattformnahen Blattbereich 23 von der Geraden 32 abweicht.

[0033] Die Profilquerschnitte 31 der plattformnahen Blattbereiche 23 sind in Fig. 3 gegenüber denen in Fig. 2 in Richtung der Saugseite 17 verschoben.

[0034] Dadurch ergibt sich eine Schaufelhinterkante 13, die sowohl im mittleren Blattbereich 25 als auch im plattformnahen Blattbereich 23 annähernd parallel zur Schaufelachse 21 verläuft. Hierdurch werden beim Betrieb des Verdichters die Strömungsverluste des Schaufelblattes 7 im plattformnahen Blattbereich 23 und die Gefahr des Ablösens bzw. des Abreißens der Strömung verringert.

[0035] Die geometrischen Verhältnisse in einem Übergangsbereich, in dem das Schaufelblatt 7 sich über einen vergleichsweise kleinen Radius 40 an die Plattformoberfläche 33 anformt, sind im Sinne der Erfindung nicht als stumpfer Winkel α zu verstehen und zu werten.

[0036] Fig. 4 zeigt drei Profilquerschnitte einer erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1, welche durch eine in Richtung der Schaufelachse 21 erfolgte Projektion des jeweiligen Profilquerschnittes übereinander gelegt sind.

[0037] Der Profilquerschnitt 41 des mittleren und des plattformfernen Blattbereichs 25, 27 ist in einer Volllinie dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 43 ist der Profilquerschnitt des plattformnahen Blattbereichs 23 einer Verdichterschaufel 1 gemäß des Standes der Technik und der Profilquerschnitt der erfindungsgemäßen Verdichterschaufel 1 des plattformnahen Blattbereichs 23 mit dem Bezugszeichen 45 bezeichnet.

[0038] Der Profilquerschnitt 45 ist gegenüber dem Profilquerschnitt 43 entsprechend der Pfeile 47 verschoben, da im plattformnahen Blattbereich 23 die Fädelungslinie 37 zur Saugseite und zur Schaufelhinterkante 17 abgelenkt ist. Darüber hinaus sind die plattformnahen Profilquerschnitte 45 an der Schaufelhinterkante 13 stärker gekrümmt als die mittleren bzw. plattformfernen Profilquerschnitte 43, 41.

[0039] Ferner ist durch den Vergleich der Schaufelhinterkanten 17 der plattformnahen Profilquerschnitte 45 mit den Profilquerschnitten der mittleren Blattbereiche 25 erkennbar, dass die plattformnahe Schaufelhinterkante 17 gegenüber der mittleren Schaufelhinterkante 17 verlängert ist.

[0040] Im besonderen Maße ist der Verdichter bestückt mit erfindungsgemäße Verdichterschaufeln 1 für den Einsatz in einer Gasturbine geeignet.

Ansprüche

1. Verdichterschaufel (1) mit einer eine Plattformoberfläche (33) aufweisenden Plattform (19), an welcher Plattformoberfläche (33) ein sich quer dazu entlang einer Schaufelachse (21) erstreckendes Schaufelblatt (7) mit einer gekrümmten Saugseitenfläche (17) sowie einer gekrümmten der Saugseitenfläche (17) gegenüberliegenden Druckseitenfläche (15) angeordnet ist, welche Seitenflächen (15, 17) sich jeweils über eine Schaufelblattlänge von einer Schaufelvorderkante (11) zu einer Schaufelhinterkante (13) erstrecken und
wobei das Schaufelblatt (7) in Richtung der Schaufelachse (21) kontinuierlich ineinander übergehende plattformnahe, mittlere und plattformferne Blattbereiche (23, 25, 27) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest über einen Teil der Schaufelblattlänge zwischen Schaufelvorderkante (11) und Schaufelhinterkante (13) jeweils die Saugseitenfläche (17) der plattformnahen Blattbereiche (23) derart gegenüber der ,angrenzenden Plattformoberfläche (33) geneigt ist, dass sie einen stumpfwinkligen Saugseitenwinkel (α) einschließen.

2. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der stumpfe Saugseitenwinkel (α) zumindest im Bereich der Schaufelhinterkante (13) vorgesehen ist.

3. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schaufelhinterkante (13) in den plattformnahen Blattbereichen (23) sich weiter stromabwärts erstreckt als in den mittleren Blattbereichen (25).

4. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaufelblatt (7) in der Weise in sich verdreht ist, dass die Schaufelhinterkante (13) in den plattformnahen Blattbereichen (23) gegenüber den mittleren Blattbereichen (25) in Richtung der Saugseite versetzt ist.

5. Verdichterschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckseitenfläche (15) der plattformnahen Blattbereiche (23) im Schaufelhinterkantenbereich eine stärkere Krümmung aufweisen als die Druckseitenfläche (17) der mittleren oder plattformfernen Blattbereiche (25, 27).

6. Verdichterschaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Bereich der Schaufelhinterkante (13) die Druckseitenfläche (15) der plattformnahen Blattbereiche (23) derart zur angrenzenden Plattformoberfläche (33) geneigt ist, dass sie zumindest an einigen Stellen einen Winkel einschließen, der 90° oder kleiner ist.

7. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaufelblatt (7) eine Blatthöhe von der Plattform (19) bis zu einer Blattspitze aufweist und
die plattformnahen Blattbereiche (23) von der Plattformoberfläche (33) in einem Abstand von maximal 15% der Blatthöhe beabstandet sind.

8. Verdichter mit mindestens einer Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Verfahren zum Konstruieren einer Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem die Flächenschwerpunkte (39) jeder zur Schaufelachse (21) senkrecht stehenden Querschnittsfläche auf einer Fädelungslinie (37) gestapelt werden,
welche Fädelungslinie (37) im mittleren und plattformfernen Blattbereich (25, 27) als Gerade verläuft,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Fädelungslinie (37) im plattformnahen Blattbereich (23) gegenüber der gedachten Verlängerung der Geraden dergestalt abweicht,
dass im Bereich der Schaufelhinterkante (13) die Saugseitenfläche (17) mit der Plattformoberfläche (33) einen stumpfen Saugseitenwinkel (α) einschließt.

Zeichnung