[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel mit einem Schaufelfuß, einer Plattform
und einem freistehenden Schaufelprofil mit einer Profilspitze, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und einen Verdichter gemäß Anspruch 6.
[0002] Freistehende Leitschaufeln und Laufschaufeln eines Axialverdichters sind bekannt.
Die Verdichterschaufeln sind in Kränzen im Verdichter angeordnet und weisen jeweils
ein Schaufelprofil auf, welches im Strömungskanal des Verdichters angeordnet ist.
Darüber hinaus weist jedes freie Ende des Schaufelprofils eine Profilspitze auf, an
deren Stirnseite eine Dichtlippe angeformt ist, welche sich von einer Anströmkante
zu einer Abströmkante des Schaufelprofils erstreckt. Die Dichtlippe dient zur Verkleinerung
eines Radialspaltes, welcher zwischen der Profilspitze der Verdichterschaufel und
einem dieser Profilspitze gegenüberliegendem Bauteil gebildet ist und durch den eine
verlustbehaftete Leckage des Strömungsmediums des Verdichters stattfindet. Bei einer
Laufschaufel ist der Radialspalt zwischen der Profilspitze und dem Innengehäuse des
Verdichters, z.B. einem Führungsring, gebildet, welcher den Strömungskanal radial
außen begrenzt. Dagegen ist der Rotor das Bauteil, welches der Profilspitze einer
Leitschaufel gegenüberliegt und welches den Radialspalt und damit radial innen den
Strömungskanal begrenzt.
[0003] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichterschaufel anzugeben,
welche die Spitzenspaltverluste im Strömungsmedium reduziert und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung
des Verdichters führt. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines entsprechend
verbesserten Verdichters.
[0004] Die erstgenannte Aufgabe wird durch eine Verdichterschaufel gemäß Anspruch 1 und
die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 5
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0005] Die Lösung der erstgenannten Aufgabe schlägt vor, dass im Längsschnitt durch die
Verdichterschaufel der Abstand der Druckseitenfläche zur Saugseitenfläche der spitznahen
Profilbereiche sich in Richtung der Profilspitze vergrößert.
[0006] Mit der Erfindung wird ein sich in Richtung der Profilspitze zwischen Saugseitenfläche
und Druckseitenfläche aufweitendes Schaufelprofil vorgeschlagen. Dies bedingt stumpfe
Winkel zwischen der Druckseitenfläche bzw. der Saugseitenfläche und einer im wesentlichen
senkrecht zur Schaufelachse stehenden Oberfläche einer Strömungskanalbegrenzung. Die
Strömungskanalbegrenzung kann durch einen Führungsring oder eine Umfangsfläche eines
Rotors gebildet sein.
[0007] Durch die Aufweitung wird beim Betrieb des Verdichters eine radiale Komponente der
Strömung des Strömungsmediums erzeugt, welche diese Strömung vom Radialspalt wegbewegt.
Hierdurch wird die verlustbehaftete Leckage der Strömung über die Profilspitze reduziert.
[0008] Die im Gegensatz zu den Seitenflächen der mittleren und plattformnahen Profilbereiche
geneigten Seitenflächen der spitznahen Profilbereiche führen ferner dazu, dass eine
Strömungsablösung im Bereich der Schaufelhinterkante im spitznahen Profilbereich reduziert
wird, was folglich zu einer aerodynamischen Verbesserung und somit zu reduzierten
Strömungsverlusten führt.
[0009] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Profilspitze eine Stirnfläche
auf, in der zumindest eine zwischen Schaufelvorderkante und Schaufelhinterkante langgestreckte
Ausnehmung vorgesehen ist. Damit bilden die Schaufelseitenwände, welche die Seitenflächen
formen, an der Profilspitze Dichtlippen, welche die Leckageströmung über die Profilspitze
reduzieren. Ferner bewirkt die nicht völlig vermeidbare Leckageströmung in der Ausnehmung
eine Verwirbelung, die nach Art einer Labyrinthdichtung eine Dichtwirkung hervorruft
und somit die Leckageströmung auf ein geringeres Maß begrenzt.
[0010] Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der mindestens zwei annähernd parallel
verlaufende Ausnehmungen an der Stirnfläche vorgesehen sind, zwischen denen sich mindestens
eine Trennwand erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass die zusätzlichen Trennwände
als weitere Dichtlippe eine weitere Reduzierung der Spaltströmung und damit auch der
Spaltverluste bewirken. Ferner entstehen in jeder Ausnehmung Verwirbelungen, die den
Leckagestrom begrenzen. Darüber hinaus kann auf Grund der vergleichsweise dünn ausgeführten
Profilspitze ein leichtes radiales Anstreifen an den gegenüberliegenden Bauteilen
toleriert werden.
[0011] In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Schaufelprofil eine
Profilhöhe in Richtung der Schaufelachse zwischen der Plattformoberfläche und der
Profilspitze aufweist, und dass die spitznahen Profilbereiche von der Plattform in
einem Abstand von mindestens 85% der Profilhöhe beabstandet sind. Somit erfolgt die
Aufweitung lediglich im äußersten Bereich der Profilspitze.
[0012] Die vorliegende Erfindung eignet sich sowohl für als Laufschaufel als auch für Leitschaufel
ausgebildete Verdichterschaufeln.
[0013] Ein erfindungsgemäßer Verdichter weist Verdichterschaufeln nach einem der Ansprüche
1 bis 4 auf.
[0014] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Darin zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Darstellung einer Verdichterschaufel als Laufschaufel,
- Fig. 2
- eine Profilspitze einer Laufschaufel und eine der Profilspitze gegenüberliegende Gehäuseinnenwand
im Längsschnitt und
- Fig. 3
- eine Profilspitze einer Leitschaufel und einen der Profilspitze gegenüberliegenden
Rotorabschnitt im Längsschnitt.
[0015] Verdichter und deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt.
Fig. 1 zeigt eine Verdichterschaufel 1 als Laufschaufel 3. Die Laufschaufel 3 weist
eine Schaufelachse 5 auf, die der Radialrichtung eines Rotors 6 bzw. einer Rotorwelle
des Verdichters entspricht (nicht gezeigt). Entlang der Schaufelachse 5 folgt dem
Schaufelfuß 7 die Plattform 9. An der Oberfläche 11 der Plattform 9 ist ein Schaufelprofil
13 angeordnet, welches an seinem der Plattform 9 abgewandten Ende eine Profilspitze
15 aufweist.
[0016] Das Schaufelprofil 13 umfasst eine Schaufelvorderkante 17 und eine Schaufelhinterkante
19, zwischen denen sich eine druckseitige Schaufelseitenwand 20 und eine der druckseitigen
Schaufelseitenwand 20 gegenüberliegende saugseitige Schaufelseitenwand 22 erstreckt.
Die dem Strömungsmedium ausgesetzten Oberflächen der Schaufelseitenwände 20, 22 bilden
eine Druckseitenfläche 21 und eine Saugseitenfläche 23.
[0017] Ferner weist das Schaufelprofil 13 entlang der Schaufelachse 5 eine Profilhöhe 25
auf, die sich zwischen der Oberfläche 11 der Plattform 9 und der Profilspitze 15 erstreckt.
Entlang der Schaufelachse 5 geht das Schaufelprofil 13 von plattformnahen Profilbereichen
27 über mittlere Profilbereiche 29 in spitznahe Profilbereiche 31 kontinuierlich ineinander
über.
[0018] Der Abstand der Schaufelvorderkante 17 zur Schaufelhinterkante 19 ist als Schaufelbreite
26 gezeigt.
[0019] Die Schnittlinien 32 der Saugseitenfläche 23 und der Druckseitenfläche 21 mit einer
senkrecht zur Schaufelachse 5 stehenden gedachten Ebene umschließen einen Profilquerschnitt
33, welcher im mittleren Profilbereich 29 und im plattformnahen Profilbereich 27 in
einer gestrichelten Linienart gezeigt ist. Die Profilquerschnitte 33 sind dabei für
den mittleren und für den plattformnahen Profilbereich 27, 29 annähernd identisch
in Form, Größe und Krümmung.
[0020] Im spitznahen Profilbereich 31, welcher mindestens in einem Abstand von 85% der Profilhöhe
25 von der Oberfläche 11 der Plattform 9 beabstandet ist, vergrößert sich der Profilquerschnitt
im Vergleich zu den der mittleren und plattformnahen Profilbereiche. Mit zunehmender
Höhe der zur Schaufelachse 5 senkrecht stehenden gedachten Ebene von der Oberfläche
11 der Plattform 9 vergrößert sich der Abstand A der Schnittlinien 32, welche die
gedachte Ebene mit der Druckseitenfläche 21 und der Saugseitenfläche 23 bildet, so
dass eine Aufweitung des Profilquerschnitts 34 im spitznahen Profilbereich 31 vorliegt.
Hierdurch weist die Profilspitze 15 einen Profilquerschnitt 35 auf, der gegenüber
den Profilquerschnitten 33, 34 vergrößert ist.
[0021] Das Schaufelprofil 13 weist im spitznahen Profilbereich 31 im Bereich der Schaufelvorderkante
17 eine lediglich geringe Aufweitung auf, die sich in Strömungsrichtung des Strömungsmediums
bis zu einer Mitte 28 der Schaufelbreite 26 vergrößert und im weiteren Verlauf zur
Schaufelhinterkante 19 wieder abnimmt.
[0022] In der Stirnseite 37 der Profilspitze 15, welche auch als Anstreifkante bezeichnet
wird, sind im Bereich der Mitte 28 der Schaufelbreite 26 zwei langgestreckte Ausnehmungen
39 vorgesehen, welche durch eine dazwischen liegende Trennwand 41 voneinander getrennt
sind.
[0023] Fig. 2 zeigt teilweise eine an einem Rotor angeordnete Laufschaufel 3 eines Verdichters
mit einer Gehäuseinnenwand 43 in einem Längsschnitt. Die Laufschaufel 3 ist lediglich
mit ihrem mittleren Profilbereich 29 und dem spitznahen Profilbereich 31 dargestellt.
Die Druckseitenfläche 21 und die Saugseitenfläche 23 weiten das Schaufelprofil 13
in Richtung der Profilspitze 15 auf. An der Stirnseite 37 der Laufschaufeln 3 sind
zwei Ausnehmungen 39 vorgesehen, welche durch eine Trennwand 41 voneinander getrennt
sind. Der Stirnseite 37 gegenüberliegend ist die Gehäuseinnenwand 43 angeordnet, welche
den Strömungskanal 10 des Verdichters nach außen begrenzt und zwischen denen ein Radialspalt
45 gebildet ist.
[0024] Im Längsschnitt betrachtet, welcher quer zur Strömungsrichtung eines Strömungsmediums
verläuft, gabelt sich im spitznahen Profilbereich 31 in Richtung der Profilspitze
15 das Schaufelprofil 13 in eine druckseitige Dichtlippe 36 und eine saugseitige Dichtlippe
38 auf.
[0025] Ferner schließt die Druckseitenfläche 21 im spitznahen Profilbereich 31 mit der Gehäuseinnenwand
43 einen stumpfen Winkel α und die Saugseitenfläche 23 im spitznahen Profilbereich
31 mit der Gehäuseinnenwand 43 einen stumpfen Winkel β ein.
[0026] Während des Betriebes des Verdichters strömt das Strömungsmedium die Schaufelvorderkante
17 in Richtung der Schaufelhinterkante 19 an. Dabei stellt sich im Bereich der Druckseitenfläche
21 ein höherer Druck im Strömungsmedium ein als im Bereich der Saugseitenfläche 23,
welche Druckverhältnisse durch Plus und Minus in Fig. 2 dargestellt sind. Durch die
unterschiedlichen Drücke wird eine Leckageströmung 47 hervorgerufen, die durch den
Radialspalt 45 strömt.
[0027] Mit den Dichtlippen 36, 38 und der Trennwand 41 als dritte Dichtlippe kann im Bereich
des Radialspaltes 45 des Verdichters eine bessere Abdichtung erreicht werden, was
zu einer Reduzierung der Strömungsverluste und zu einer Wirkungsgradsteigerung des
Verdichters führt.
[0028] Durch die Leckageströmung 47 entstehen in den Ausnehmungen 39 Verwirbelungen, welche
die Strömungsgeschwindigkeit der Leckageströmung 47 begrenzen und somit die Leckage
reduzieren.
[0029] Der rotierende Rotor bewegt die Laufschaufel 3 in Richtung R, so dass im spitznahen
Profilbereich 31 durch die schräg geneigte Druckseitenfläche 21 eine radial wirkende
Komponente 49 das zu verdichtende Strömungsmedium von dem Radialspalt 45 weggedrückt
wird. Hierdurch wird die Leckageströmung 47 weiter vermindert.
[0030] Durch die stumpfen Winkel α, β erfolgt eine aerodynamische Verbesserung der Verdichterschaufel
1, so dass die Strömung im Bereich der Schaufelhinterkante 19 im spitznahen Profilbereich
31 weniger zur Ablösung bzw. zum Abreißen neigt.
[0031] Fig. 3 zeigt wie Fig. 2 eine Verdichterschaufel 1 mit einer gegenüberliegenden radialen
Strömungsbegrenzung. Anstelle der Laufschaufel 3 aus Fig. 2 ist in diesem Fall eine
Leitschaufel 4 und anstelle der Gehäuseinnenwand 43 teilweise der Rotor 6 mit seiner
Umfangsfläche 8 gezeigt.
[0032] Beim Betrieb des Verdichters rotiert der Rotor 6 in der Drehrichtung R unter der
Stirnseite 37 der feststehenden Leitschaufel 4 hinweg. Durch die beiderseits der Leitschaufel
4 unterschiedlichen Drücke im Strömungsmedium, welche durch Plus und Minus dargestellt
sind, wird eine Leckageströmung 47 hervorgerufen, welche durch die in den Ausnehmungen
39 entstehenden Verwirbelungen auf ein Mindestmaß begrenzt wird.
[0033] Ferner wird durch die Aufweitung des Schaufelprofils 13 im spitznahen Profilbereich
31 eine radiale Komponente 49 in dem das Schaufelprofil 13 umströmenden Strömungsmedium
erzeugt, so dass dieses vom Radialspalt 45 weggeführt wird und sich die Leckageströmung
47 weiter reduziert. Die radiale Komponente 4 ist im Bereich der Druckseitenfläche
21 dabei stärker ausgeprägt als auf der Saugseitenfläche 23.
[0034] Alternativ dazu kann eine Verdichterschaufel 1 im spitznahen Profilbereich 31 auch
derart ausgebildet sein, dass lediglich an der Druckseite (oder an der Saugseite)
die entsprechende Seitenfläche 21 (23) eine Aufweitung des Schaufelprofils 13 bedingt,
so dass die gegenüberliegende Saugseitenfläche 23 (oder die Druckseitenfläche 21)
in einem senkrechten Winkel auf die den Strömungskanal 10 begrenzende Oberfläche trifft.
[0035] Selbstverständlich ist die Verdichterschaufel 1 und der Verdichter für den Einsatz
in einer Gasturbine geeignet. Ferner kann die Erfindung auch auf freistehende Schaufeln
einer Turbine angewendet werden.
1. Verdichterschaufel (1) mit einem Schaufelfuß (7), einer Plattform (9) und einem freistehenden
Schaufelprofil (13) mit einer Profilspitze (15), die entlang einer Schaufelachse (5)
aufeinander folgend angeordnet sind,
wobei das Schaufelprofil (13) eine gekrümmte Saugseitenfläche (23) sowie eine der
Saugseitenfläche (23) gegenüberliegende gekrümmte Druckseitenfläche (21) aufweist,
wobei das Schaufelprofil (13) in Richtung der Schaufelachse (5) kontinuierlich ineinander
übergehende plattformnahe, mittlere und spitzennahe Profilbereiche (27, 29, 31) aufweist
dadurch gekennzeichnet,
dass im Längsschnitt durch die Verdichterschaufel (1) der Abstand (A) der Druckseitenfläche
(21) zur Saugseitenfläche (23) in den spitznahen Profilbereichen (31) sich jeweils
in Richtung der Profilspitze (15) vergrößert.
2. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Profilspitze (15) eine Stirnfläche (37) aufweist, in der zumindest eine langgestreckte
Ausnehmung (39) vorgesehen ist.
3. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei annähernd parallel verlaufende Ausnehmungen (39) an der Stirnfläche
(37) vorgesehen sind, zwischen denen sich eine oder mehrere Trennwände (41) erstreckt.
4. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaufelprofil (13) eine Profilhöhe (25) in Richtung der Schaufelachse (5) zwischen
der Plattform (9) und der Profilspitze (15) aufweist und
dass die spitznahen Profilbereiche (31) von der Plattformoberfläche (11) in einem Abstand
von mindestens 85% der Profilhöhe beabstandet sind.
5. Verdichter mit mindestens einer Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1
bis 4.