[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk sowie eine
Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
[0002] Schaufeln für Verdichter werden nach dem Stand der Technik hauptsächlich auf eine
Maximierung des Wirkungsgrades und Einhaltung eines entsprechenden Pumpgrenzenabstands
unter Berücksichtigung der strukturmechanischen Festigkeitsanforderungen optimiert.
[0003] Ein Nachteil der danach optimierten Schaufeln ist deren Anfälligkeit gegenüber Schäden
durch Fremdkörper, welche in die Strömungsmaschine eingesogen werden und auf den Schaufeln
einschlagen. Durch diese Einschläge können insbesondere an Schaufelvorderkanten der
Schaufeln Schädigungen auftreten. Ein Risiko eines Einsaugens von Fremdkörpern ist
insbesondere in den Start- und Landephasen eines Flugzeugs durch Vögel oder Objekte
auf der Start- und Landebahn gegeben. Diese Bereiche sind im Schadensfall limitieren
für den weiteren Betrieb des Triebwerks und machen außerplanmäßige Wartungen der betroffenen
Komponenten notwendig.
[0004] Nach dem Stand der Technik ist es bei der Auslegung von Schaufeln üblich, zweidimensionale
Profile zu generieren, welche für einen Strömungsverlauf optimiert sind. Diese Profile
liegen in einer Mantelfläche eines auf eine Strömungsmaschine bezogenen Zylinderkoordinatensystems.
Zur Generierung einer 3-dimensionalen Struktur der Schaufel ist es üblich, die einzelnen
Profile normal bezüglich einer Bezugslinie ausgerichtet zu staffeln. Die Bezugslinie
verläuft dabei ausgehend von einer Rotorwelle im Wesentlichen radial. Die Bezugslinie
verläuft durch jeweilige charakteristische Punkte der jeweiligen Profile, wie beispielsweise
den jeweiligen Schwerpunkten. Hierbei ist es verbreitet, die Schwerpunkte der einzelnen
Profile durch eine Fädellinie zu verbinden, welche einen linearen Verlauf entlang
der Radialrichtung aufweist.
[0005] Zur Optimierung bestimmter Eigenschaften ist es verbreitet, diesen Verlauf der Fädellinie
derart anzupassen, dass der Verlauf der Fädellinie von dem der linearen Bezugslinie
abweicht. Dabei werden die Profile verschoben, sodass die Schwerpunkte nicht auf der
radial und linear verlaufenden Bezugslinie liegen. Durch die Verschiebungen der Schwerpunkte
ändern sich die Spannungsverteilungen in den Schaufeln unter Betriebsbedingungen.
[0006] Die Optimierung von Schaufeln für Strömungsmaschinen ist exemplarisch in den folgenden
Schriften offenbart.
[0007] In der 2015 eingereichten Masterarbeit von Pablo Rodriguez-Fernandez an der Universidad
Polytecnica de Madrid mit dem Titel "Development of Shape-Optimization Tools for the
Aerodynamic Design of Turbomachinery Blades" ist eine Entwicklung von Formoptimierungswerkzeugen
für einen aerodynamischen Entwurf von Turbomaschinenschaufeln offenbart. Hierbei ist
es vorgesehen, eine Schaufelgeometrie mithilfe von Parameterisierungstechniken auf
der Grundlage von B-Spline-Kurven zu definieren, die eine lokale Festlegung einer
Form der Schaufel ermöglichen.
[0008] Die Veröffentlichung
Dow, E. A., & Wang, Q. (2015). "The implications of tolerance optimization on compressor
blade design. Journal of Turbomachinery", 137(10), 101008. beschreibt die Auswirkungen der Toleranzoptimierung auf die Konstruktion von Verdichterschaufeln.
Die Veröffentlichung befasst sich mit den Auswirkungen der geometrischen Variabilität
von Schaufeln auf die Leistungsfähigkeit der Schaufeln. Die geometrische Variabilität
erhöht die Leistungsvariabilität und verschlechtert die mittlere Leistung von Verdichterschaufeln
für Turbomaschinen. Diese nachteiligen Auswirkungen können durch eine robuste Optimierung
der Schaufelgeometrie oder durch strengere Fertigungsvorschriften verringert werden.
Die Veröffentlichung beschreibt die Strömungsablösung an der Vorderkante, die bei
einigen Schaufeln auftritt, wenn der Krümmungsradius der Vorderkante über einen kritischen
Wert hinaus reduziert wird, wodurch die Schaufelverluste drastisch ansteigen. Die
optimale Vorderkantengeometrie hängt daher vom Grad des Fertigungsrauschens ab, was
die möglichen Wechselwirkungen zwischen Geometrie- und Toleranzoptimierung verdeutlicht.
[0012] Die Veröffentlichung
Fagan, E. M., De La Torre, O., Leen, S. B., & Goggins, J. (2018). Validation of the
multi-objective structural optimisation of a composite wind turbine blade. Composite
structures, 204, 567-5t; betrifft eine Validierung der multikriteriellen Strukturoptimierung eines Windturbinenblattes.
In der Veröffentlichung werden strukturelle Merkmale der Schaufel wie Masse, Schwerpunkt
und Ergebnisse aus statischen und modalen Tests zur Validierung von Vorhersagen aus
Finite-Elemente-Verfahren für die maßgeschneiderte Schaufel verwendet
[0014] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaufel bereitzustellen, welche eine geringere
Anfälligkeit gegenüber fremdkörperverursachten Schäden aufweist als Schaufeln nach
dem Stand der Technik.
[0015] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaufel gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie eine Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen
Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts
als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
[0016] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaufel für eine Strömungsmaschine.
Die Schaufel weist ein Schaufelinnenprofil, welches an einem Rotorelement anliegen
kann und einen Schaufelblattabschnitt auf, der sich in einer Radialrichtung bezüglich
einer Rotorwelle an das Schaufelinnenprofil anschließt. Bei dem Schaufelinnenprofil
kann es sich beispielsweise um ein Profil einer Nabe, eines Schaufelfußelements oder
ein erstes Profil des Schaufelblattabschnitts handeln, an welches sich der Schaufelblattabschnitt
der Schaufel in eine radial äußere Richtung anschließt. Die Koordinaten der Strömungsmaschine
können bezüglich der Rotorwelle der Strömungsmaschine definiert sein, wobei die Axialrichtung
parallel zu einer Längsrichtung der Rotorwelle verlaufen kann. Die Schaufel kann auch
an einer Scheibe eines Blisks angeordnet sein. Eine Radialrichtung kann senkrecht
von der Rotorwelle ausgehend verlaufen. Eine Tangentialrichtung kann in einer Umlaufrichtung
um die Rotorwelle verlaufen. Der Schaufelblattabschnitt kann in der Radialrichtung
von der Rotorwelle abgewandt an dem Schaufelinnenprofil angeordnet sein. Der Schaufelblattabschnitt
kann einen Strahlablenkungsabschnitt der Schaufel umfassen. Jeweilige, normal zur
Radialrichtung ausgerichtete Schaufelprofile des Schaufelblattabschnitts können jeweilige
Schwerpunkte aufweisen. Mit anderen Worten weist die Schaufel in dem Schaufelblattabschnitt
Schaufelprofile als Querschnitte auf, welche senkrecht zu der Radialrichtung ausgerichtet
sind. Jedes der Schaufelprofile weist den jeweiligen Schwerpunkt auf. Es ist vorgesehen,
dass die Schwerpunkte gegenüber einer linear entlang der Radialrichtung verlaufenden
Bezugslinie um jeweilige Axialvariationswerte in einer Axialrichtung parallel zur
Rotorwelle verschoben sind. Zusätzlich oder alternativ dazu sind die Schwerpunkte
bezüglich der Bezugslinie um jeweilige Tangentialvariationswerte in einer Tangentialrichtung
verschoben. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Schwerpunkte der jeweiligen
Schaufelprofile bezüglich der Bezugslinie in die Axialrichtung und/oder die Tangentialrichtung
um die jeweiligen Axialvariationswerte, beziehungsweise die jeweiligen Tangentialvariationswerte,
verschoben sind. Die Verschiebungen der jeweiligen Schwerpunkte in die Axialrichtung
sind durch die jeweiligen Axialvariationswerte beschrieben, welche in Bezug auf die
linear entlang der Radialrichtung verlaufende Bezugslinie definiert sind. Die Verschiebungen
der jeweiligen Schwerpunkte in die Tangentialrichtung sind durch jeweilige Tangentialvariationswerte
beschrieben, welche in Bezug auf die linear entlang der Radialrichtung verlaufende
Bezugslinie definiert sind. Die jeweiligen Schwerpunkte der jeweiligen Schaufelprofile
sind durch eine von dem Schaufelinnenprofil ausgehende Fädellinie verbunden. Mit anderen
Worten ist es vorgesehen, dass die Schwerpunkte der jeweiligen Schaufelprofile auf
der Fädellinie angeordnet sind, welche ausgehend von dem Schaufelinnenprofil verläuft.
Die Fädellinie kann beispielsweise ausgehend von einem Schwerpunkt des Schaufelinnenprofils
verlaufen.
[0017] Es ist vorgesehen, dass die Fädellinie eine Raumlinie ist, wobei eine Gesamtabweichung
der Raumlinie in den Schaufelprofilen zu der Bezugslinie in Abhängigkeit eines jeweiligen
radialen Abstands des jeweiligen Schaufelprofils von dem Schaufelinnenprofil durch
ein Polynom n-ter Ordnung mit n >1 beschrieben ist. n ist dabei eine natürliche Zahl
Mit anderen Worten beschreibt die Fädellinie einen Verlauf der Lagen der Schwerpunkte
der Schaufelprofile in Abhängigkeit des radialen Abstands der Schaufelprofile von
dem Schaufelinnenprofil. Die Fädellinie beschreibt die Lage der jeweiligen Schwerpunkte
in Abhängigkeit von dem radialen Abstand der Schwerpunkte zu einem Ursprung, welcher
ein Schwerpunkt eines Schaufelprofils, dem Schaufelinnenprofil, sein kann. Dabei ist
die Fädellinie durch ein Polynom der Ordnung n definiert, welches einen Grad größer
als 1 aufweist. Die Fädellinie ist erfindungsgemäß so angeordnet, dass unter Betriebsbedingungen
eine Konfiguration verwirklicht wird, welche eine Druckspannung an einer Vorderkante
der Schaufel bewerkstelligt. Mit anderen Worten kann durch den besagten Verlauf der
Fädellinie eine negative Spannung an der Vorderkante der Schaufel im Betrieb bereitgestellt
werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Rissausbreitung in der Vorderkante
unterbunden wird, weil Druckspannungen einer Rissausbreitung entgegenwirken. Somit
weist der Bereich der Schaufel, welcher primär durch Fremdkörpereinschlag (FOD) gefährdet
ist eine geringere Schadensanfälligkeit auf, als dies bei Schaufeln nach dem Stand
der Technik der Fall ist.
[0018] Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
[0019] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann mindestens ein Maximum der Polynomform
der Fädellinie relativ zu einer rein radial ausgerichteten Bezugslinie axial nach
hinten, d.h. stromabwärts, versetzt sein. Bevorzugt können alle Maxima der Fädellinie
gegenüber der Bezugslinie radial nach hinten versetzt sein.
[0020] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Tangentialvariationswerte
in einem Bereich zwischen -5 Grad und +5 liegen Mit anderen Worten ist es vorgesehen,
dass die Schwerpunkte der jeweiligen Schaufelprofile zwischen -5 Grad und 5 Grad von
der Bezugslinie abweichen. Die Abweichung kann somit in einem Bereich von -5 Grad
bis +5 Grad liegen. Mit anderen Worten kann die Tangentialabweichung zwischen den
Schwerpunkten und der Bezugslinie -5,0°, -4,9°, -4,8°, -4,7°, -4,6°, -4,5°, -4,4°,
-4,3°, -4,2°, -4,1°, -4,0°, -3,9°, -3,8°, -3,7°, -3,6°, -3,5°, -3,4°, -3,3°, -3,2°,
- 3,1°, -3,0°, -2,9°, -2,8°, -2,7°, -2,6°, -2,5°, -2,4°, -2,3°, -2,2°, -2,1°, -2,0°,
-1,9°, -1,8°, -1,7°, -1,6°, - 1,5°, -1,4°, -1,3°, -1,2°, -1,1°, -1,0°, -0,9°, -0,8°,
-0,7°, -0,6°, -0,5°, -0,4°, -0,3°, -0,2°, -0,1°, 0°, 0,1°, 0,2°, 0,3°, 0,4°, 0,5°,
0,6°, 0,7°, 0,8°, 0,9°, 1,0°, 1,1°, 1,2°, 1,3°, 1,4°, 1,5°, 1,6°, 1,7°, 1,8°, 1,9°,
2,0°, 2,1°, 2,2°, 2,3°, 2,4°, 2,5°, 2,6°, 2,7°, 2,8°, 2,9°, 3,0°, 3,1°, 3,2°, 3,3°,
3,4°, 3,5°, 3,6°, 3,7°, 3,8°, 3,9°, 4,0°, 4,1°, 4,2°, 4,3°, 4,4°, 4,5°, 4,6°, 4,7°,
4,8°, 4,9°, 5,0° betragen
[0021] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Tangentialvariationswerte
in einem Bereich zwischen -2,5 Grad bis 2,5 Grad liegen. Mit anderen Worten ist es
vorgesehen, dass die Schwerpunkte der jeweiligen Schaufelprofile um einen Bereich
von -2,5° bis 2,5° von der Bezugslinie abweichen. Die Abweichung kann somit in einem
Bereich von -2,5 Grad bis +2,5 Grad liegen. Mit anderen Worten kann die Tangentialabweichung
zwischen den Schwerpunkten und der Bezugslinie -2,5°, -2,4°, -2,3°, -2,2°, -2,1°,
-2,0°, -1,9°, -1,8°, -1,7°, -1,6°, -1,5°, -1,4°, -1,3°, -1,2°, -1,1°, -1,0°, -0,9°,
-0,8°, -0,7°, -0,6°, -0,5°, -0,4°, -0,3°, -0,2°, -0,1°, 0°, 0,1°, 0,2°, 0,3°, 0,4°,
0,5°, 0,6°, 0,7°, 0,8°, 0,9°, 1,0°, 1,1°, 1,2°, 1,3°, 1,4°, 1,5°, 1,6°, 1,7°, 1,8°,
1,9°, 2,0°, 2,1°, 2,2°, 2,3°, 2,4°, 2,5° betragen.
[0022] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Axialvariationswerte
zwischen 0 und 20 % einer jeweiligen Profilsehnenlänge des jeweiligen Schaufelprofils
liegen. Mit anderen Worten beträgt eine maximale Abweichung in Axialrichtung höchstens
20 % der jeweiligen Profilsehnenlänge des jeweiligen Schaufelprofils, welche eine
Vorderkante mit einer Hinterkante des jeweiligen Profils verbindet, beträgt. Die Axialvariationswerte
können beispielsweise 0 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 11 %,
12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %, 19 %, 20 % der jeweiligen Profilsehnenlänge
des jeweiligen Schaufelprofils betragen.
[0023] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die jeweiligen Axialvariationswerte
zwischen 0 und 10 % einer jeweiligen Profilsehnenlänge des jeweiligen Schaufelprofils
liegen. Mit anderen Worten beträgt eine maximale Abweichung in Axialrichtung höchstens
10 % der jeweiligen Profilsehnenlänge des jeweiligen Schaufelprofils, welche eine
Vorderkante mit einer Hinterkante des jeweiligen Profils verbindet. Die Axialvariationswerte
können beispielsweise 0 %, 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 % der jeweiligen
Profilsehnenlänge des jeweiligen Schaufelprofils betragen.
[0024] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schaufel als Laufschaufel ausgebildet
ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Schaufel um eine Laufschaufel, welche
zur Energieübertragung zwischen der Strömungsmaschine und einem Fluid vorgesehen ist.
Die Schaufel kann dementsprechend zur Anordnung auf einem Rotor vorgesehen sein, welcher
sich im Betrieb um seine Längsrichtung dreht, wodurch Spannungen in der Schaufel hervorgerufen
werden.
[0025] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass jeweilige Staffelungswinkel zumindest
einiger der Schaufelprofile jeweiliger Laufschaufeln um jeweilige Staffelungswinkelvariationswerte
von einem Nominalstaffelungswinkel eines Schaufelinnenprofils abweichen, wobei die
jeweiligen Staffelungswinkelvariationswerte höchstens 2 Grad betragen. Mit anderen
Worten unterscheiden sich die jeweiligen Staffelungswinkel um höchstens 2 Grad von
dem Nominalstaffelungswinkel. Die Staffelungswinkelvariationswerte können zwischen
-2 Grad und +2 Grad liegen. Der Staffelungswinkel ist definiert als Winkel zwischen
der Profilsehne des jeweiligen Schaufelprofils und der Umlaufrichtung. Der Nominalstaffelungswinkel
kann der Staffelungswinkel des Schaufelinnenprofils sein und somit den Winkel zwischen
der Profilsehne des Schaufelinnenprofils und der Umlaufrichtung beschreiben. Die Staffelungswinkelvariationswerte
können beispielsweise -2,0°, -1,9°, -1,8°, -1,7°, - 1,6°, -1,5°, -1,4°, -1,3°, -1,2°,
-1,1°, -1,0°, -0,9°, -0,8°, -0,7°, -0,6°, -0,5°, -0,4°, -0,3°, -0,2°, -0,1°, 0,0°,
0,1°, 0,2°, 0,3°, 0,4°, 0,5°, 0,6°, 0,7°, 0,8°, 0,9°, 1,0°, 1,1°, 1,2°, 1,3°, 1,4°,
1,5°, 1,6°, 1,7°, 1,8°, 1,9°, 2,0° betragen.
[0026] Da die Erzeugung einer Druckspannung als betragsmäßig größte Hauptspannung im Betrieb
nicht immer gewährleistet werden kann, kann die Anpassung der Fädelungsstrategie in
einer bevorzugten Weiterbildung auch genutzt werden, um das Verhältnis der Vorderkantenspannung
zur Mittelspannung in einzelnen Profilschnitten der Schaufel positiv zu beeinflussen.
Als Zielwert für ein FOD/DOD resistentes Design wird hierbei ein Spannungsverhältnis
über die unteren 90% der radialen Schaufelerstreckung angestrebt. Dieser Zielwert
kann zusätzlich zur Anpassung der Fädelungsstrategie auch durch die Relativänderung
der Staffelungswinkel naheliegender Profilschnitte zueinander erreicht werden
[0027] Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere ein
Flugzeugtriebwerk, welche zumindest eine Schaufel des ersten Erfindungsaspekts aufweist.
[0028] Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts
zu entnehmen.
[0029] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der
Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen,
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren
alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den
Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung
als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und
erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten
Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen
als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten
unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen,
insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die
über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen
oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
FIG. 1 eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer Bezugslinie in einer Schaufel
nach dem Stand der Technik;
FIG. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in der in FIG. 1 gezeigten Schaufel nach dem Stand der Technik;
FIG. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaufel; und
FIG. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in der in FIG. 3 gezeigten Schaufel.
[0030] FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer Bezugslinie in einer Schaufel
nach dem Stand der Technik. Die Schaufel 1 kann insbesondere eine Laufschaufel 1 für
eine Strömungsmaschine 2, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk sein. Das Koordinatensystem
3 kann in Bezug auf eine nicht in der Figur gezeigte Rotorwelle 4 in Zylinderkoordinaten
definiert sein. Eine Axialrichtung x kann parallel zu einer Längsrichtung der Rotorwelle
4 ausgerichtet sein. Eine Radialrichtung r kann radial von einem Zentrum der Rotorwelle
4 ausgehend ausgerichtet sein. Eine Tangentialrichtung t kann in eine Umlaufrichtung
um die Rotorwelle 4 ausgerichtet sein. An der Rotorwelle 4 kann die Schaufel 1 befestigt
sein. Die Schaufel 1 kann zur radialen Anordnung an der Rotorwelle 4 vorgesehen sein.
An ein Schaufelinnenprofil 5 kann sich in radialer Richtung ein Strahlablenkungsabschnitt
6 anschließen, welcher sich bis zu einer Spitze der Schaufel 1 an einem radialen äußeren
Ende der Schaufel 1 erstrecken kann. Die Schaufel 1 kann in dem Strahlablenkungsabschnitt
6 Schaufelprofile 7 aufweisen, welche in jeweiligen Tangentialebenen bezüglich der
Rotorwelle 4 in vorbestimmten radialen Abständen zur dem Schaufelinnenprofil 5 angeordnet
sein können. Die Schaufelprofile 7 können jeweilige Massenschwerpunkte 8 aufweisen,
welche entlang einer linearen und radial verlaufenden Bezugslinie 9 angeordnet sein
können. Die Schaufelprofile 7 können sich in ihrer Form voneinander unterscheiden.
Die Schaufel 1 kann eine Vorderkante 11 und eine Hinterkante 10 aufweisen. Die Vorderkante
11 kann in Bezug auf eine Strömungsrichtung derart definiert sein, das in einem Betrieb
der Strömungsmaschine 2 das Gas auf die Vorderkante 11 auftreffen kann. Aufgrund der
Auslegung der Schaufel 1 nach dem Stand der Technik auf Betriebseffizienz kann eine
Spannungsverteilung während des Betriebes an der Vorderkante 11 positiv sein, wodurch
insbesondere an der Vorderkante 11 im Fall eines Einschlags eines Fremdkörpers Schädigungen
und eine Rissausbreitung auftreten können.
[0031] Eine Umfangs- und Axialposition des Schaufelschwerpunkts 8 im Nabenschnitt ist durch
die Bezugslinie 9 festgelegt, wobei eine rein radiale Fädelung aller weiteren Schaufelprofile
7 vorgesehen ist. Die Schwerpunkte 8 sind auf der Bezugslinie 9 angeordnet. In
FIG. 1 wird eine Bezugskonfiguration für die Anpassung definiert.
[0032] FIG. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in der in
FIG. 1 gezeigten Schaufel 1 nach dem Stand der Technik. Gezeigt ist eine Verteilung eines
Betrags einer größten Hauptspannung 12 während eines Betriebs der Schaufel 1 in der
Strömungsmaschine 2 an einem vorbestimmten Betriebspunkt. Zu erkennen ist ein höchster
Betrag der Hauptspannung 12 in einem inneren Bereich 13 der Schaufel 1, wobei es sich
um eine Zugspannung handeln kann. Bis auf einen Hinterkantenbereich 20 der Hinterkante
10 dominiert eine Zugspannung in der Schaufel 1. Der Hinterkantenbereich 20 der Hinterkante
10 weist eine Druckspannung auf, welche negativ ist. Die negative Spannung führt dazu,
dass die Schaufel 1 in dem Hinterkantenbereich 20 weniger anfällig gegen Rissausbreitungen
ist. Eine Rissausbreitung kann beispielsweise aufgrund von aufschlagenden Fremdkörpern
entstehen. Es wäre somit vorteilhaft, wenn die durch Fremdkörper gefährdete Vorderkante
11 der Schaufel 1 über eine gesamte Länge des Strahlablenkungsabschnitts 6 oder zumindest
eine Teillänge 15 von 90% der Länge des Strahlablenkungsabschnitts 6, ausgehend von
dem Schaufelinnenprofil 5 eine Druckspannung aufweisen würde.
[0033] FIG. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaufel 1. Gezeigt eine Schaufel 1, welche
gegenüber der in der
FIG. 1 gezeigten Schaufel 1 nach dem Stand der Technik, durch Variationen der Lagen der
Schwerpunkte 8 verändert wurde, um an einer Vorderkante 11 der Schaufel 1 eine negative
Hauptspannung 12 bereitzustellen. Um die Druckspannung als Hauptspannung 12 an der
Vorderkante 11 bereitzustellen, kann eine Variation der Lage der Schaufelprofile 7
erfolgen, wobei die Schwerpunkte 8 der Schaufelprofile 7 gegenüber der linearen, radial
verlaufenden Bezugslinie 9 versetzt sein können. Die Verschiebungen können entlang
der Tangentialrichtung t und/oder der Axialrichtung x erfolgen. Durch die Verschiebungen
können die Schwerpunkte 8 um jeweilige Axialvariationswerte dx in einer Axialrichtung
x und/oder um jeweilige Tangentialvariationswerte dt in einer Tangentialrichtung t
gegenüber der Bezugslinie 9 verschoben sein. Die einzelnen Schwerpunkte 8 können durch
eine Fädellinie 16 verbunden sein, welche sich somit von der Bezugslinie 9 unterscheiden
kann. Ein Verlauf der Fädellinie 16 kann durch ein Polynom n-ter Ordnung, wobei n
eine natürliche Zahl größer als 1 sein kann, beschrieben sein. Die Fädellinie 16 kann
eine Gesamtabweichung 17 der Schwerpunkte 8 an einem jeweiligen radialen Abstand in
Abhängigkeit des radialen Abstandes des Schwerpunktes 8 zu dem Schaufelinnenprofil
5 beschreiben. Es kann vorgesehen sein, dass die jeweiligen Tangentialvariationswerte
dt in einem Bereich zwischen -5 Grad und 5 Grad, insbesondere einem Bereich zwischen
-2,5 Grad und 2,5 Grad liegen können. Mit anderen Worten können jeweilige Schwerpunkte
8 in der Tangentialrichtung zwischen -5 Grad und +5 Grad, insbesondere zwischen -2,5
Grad und +2,5 Grad in Bezug auf die Bezugslinie 9 verschoben sein.
[0034] Für die Axialvariationswerte dx kann vorgesehen sein, dass die Beträge der jeweiligen
Axialvariationswerte dx höchstens 20 %, insbesondere höchstens 10% einer jeweiligen
Länge einer Profilsehne 18 des jeweiligen Schaufelprofils betragen. Die Profilsehne
18 eines jeweiligen Schaufelprofils 7 kann eine Profilnase des Schaufelprofils 7 mit
einer Profilhinterkante des Schaufelprofils 7 verbinden. Mit anderen Worten beträgt
die Axialvariation dx nicht mehr als 20 % der Länge der jeweiligen Profilsehne 18
des jeweiligen Schaufelprofils 7. Die Bezugslinie 9 und die Fädellinie 16 können zumindest
durch einen ersten der Schwerpunkte 8 verlaufen, wobei es sich um den Schwerpunkt
8 des Schaufelinnenprofils 5 handeln kann. Der Schwerpunkt 8 des Schaufelinnenprofils
5 kann somit ein gemeinsamer Ursprung 19 der Bezugslinie 9 und die Fädellinie 16 sein.
Die jeweiligen Schaufelprofile 7 können Staffelungswinkel aufweisen, welche einen
Winkel zwischen der Profilsehne 18 des jeweiligen Schaufelprofils 7 und der Umlaufrichtung
t beschreiben. Die Staffelungswinkel können sich um Staffelungswinkelvariationswerte
dA von einem Nominalstaffelungswinkel A unterscheiden, welcher einen Winkel zwischen
der Profilsehne 18 des Schaufelinnenprofils 5 und der Umlaufrichtung t beschreiben
kann. Mit anderen Worten können sich die Staffelungswinkel zumindest einiger der Schaufelprofile
7 um jeweilige Staffelungswinkelvariationswerte dA von dem Nominalstaffelungswinkel
A unterscheiden. Bei einem Staffelungswinkelvariationswert dA von 0 Grad ist die Profilsehne
18 des jeweiligen Schaufelprofils 7 zu der Profilsehne 18 des Schaufelinnenprofils
5 parallel ausgerichtet.
[0035] Die Staffelungswinkel zumindest einiger der Schaufelprofile 7 können um die jeweiligen
Staffelungswinkelvariationswerte dA von dem Nominalstaffelungswinkel A abweichen,
wobei die jeweiligen Staffelungswinkelvariationswerte dA höchstens 2 Grad betragen.
Mit anderen Worten unterscheiden sich die jeweiligen Staffelungswinkel um höchstens
2 Grad von dem Nominalstaffelungswinkel. Die Staffelungswinkelvariationswerte können
zwischen -2 Grad und +2 Grad liegen.
[0036] Die Fädelungsstrategie der Schwerpunkte 8 von den Profilsektionen / Schaufelprofilen
7 wird in Axialrichtung x und Umlaufrichtung t somit derart angepasst, dass die betragsmäßig
größte Hauptspannung 12 im kritischen Profilbereich 13, der Schaufelvorderkante 11,
eine Druckspannung ist. Zusätzlich kann der Staffelungswinkel zumindest einiger der
Schaufelprofile 7 um die jeweiligen Staffelungswinkelvariationswerte dA variiert werden.
[0037] Die Anpassung der Fädelung, vorgegeben durch die Fädellinie 16 relativ zur Bezugskonfiguration
umfasst eine Optimierung des Fädelungsverlaufs (Polynom n-ter Ordnung) mit dem Ziel
der Spannungsbeeinflussung an Vorderkante. Ein Parameterraum der Schwerpunktsverschiebung
der Schaufelprofile 7 kann durch eine maximale Umfangsvariation dt von +/- 5 Grad
und/oder eine maximale Axialvariation dx von +/- 20% Profilsehnenlänge des jeweiligen
Schaufelprofils 7 vorgegeben sein.
[0038] FIG. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Spannungsverteilung in der in
FIG. 3 gezeigten Schaufel. Zu erkennen ist, dass der Vorderkantenbereich 14 der Vorderkante
eine negative Spannung aufweist. In diesem Bereich ist eine Druckspannung die lokale
Hauptspannung. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Vorderkante gegenüber Einschlägen
von Fremdkörpern resistenter ist, als die in
FIG. 1 gezeigte Schaufel.
[0039] Aktuell wird die Verdichterbeschaufelung hauptsächlich mit dem Fokus auf die Maximierung
des Wirkungsgrades und des Pumpgrenzabstand unter Einhaltung der strukturmechanischen
Festigkeitsanforderungen (Auslastung < 60% Goodman Ratio) interdisziplinär ausgelegt.
[0040] Geometrien die aus diesem Vorgehen (Stand der Technik) resultieren, weisen häufig
gegenüber Foreign Object Damage (FOD) bzw. Domestic Object Damage (DOD) empfindliche
Bereiche auf. Im Betrieb der Komponenten treten häufiger Schädigungen insbesondere
an den Schaufelvorderkanten auf. Diese Bereiche sind im Schadensfall limitierend für
den weiteren Betrieb des Triebwerks und machen außerplanmäßige Wartungen der betroffenen
Komponenten notwendig.
[0041] Während des interdisziplinären Auslegungsprozesses der Verdichterschaufeln, kann
gezielt die Spannungsverteilung in kritischen Bauteilbereichen beeinflusst werden.
Um die häufig von Schädigungen betroffene Region der Schaufelvorderkante robuster
zu gestalten, wird eine Anpassung der bisher verwendeten Fädelungsstrategie der einzelnen
Schaufelprofilschnitte vorgeschlagen. Ziel dieser angepassten Fädelungsstrategie (axial
und in Umlaufrichtung angepasste Schwerpunktsposition der einzelnen Schaufelprofile)
ist es, die Schaufelvorderkante im Betriebsbereich derart zu belasten, dass die betragsmäßig
größte Hauptspannung im kritischen Profilbereich eine Druckspannung ist. Ein derart
ausgeprägtes Spannungsfeld ist kontraproduktiv für eine schnelle Rissausbreitung in
das Bauteil und stellt somit ein Mittel zur Erhöhung der Schaufelrobustheit gegen
Schädigungen dar.
[0042] Da die Erzeugung einer Druckspannung als betragsmäßig größte Hauptspannung im Betrieb
nicht immer gewährleistet werden kann, soll die Anpassung der Fädellinie auch genutzt
werden, um das Verhältnis der Vorderkantenspannung zur Mittelspannung in einzelnen
Schaufelprofilen der Schaufel positiv zu beeinflussen. Als Zielwert für ein FOD/DOD
resistentes Design wird hierbei ein Spannungsverhältnis
über die unteren 90% der radialen Schaufelerstreckung angestrebt. Dieser Zielwert
kann zusätzlich zur Anpassung der Fädelungsstrategie auch durch die Relativänderung
der Staffelungswinkel naheliegender Schaufelprofile zueinander erreicht werden.
Bezugszeichenliste:
[0043]
- 1
- Schaufel
- 2
- Strömungsmaschine
- 3
- Koordinatensystem
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Schaufelinnenprofil
- 6
- Strahlablenkungsabschnitt
- 7
- Schaufelprofil
- 8
- Schwerpunkt
- 9
- Bezugslinie
- 10
- Hinterkante
- 11
- Vorderkante
- 12
- Hauptspannung
- 13
- Bereich
- 14
- Vorderkantenbereich
- 15
- Teillänge
- 16
- Fädellinie
- 17
- Gesamtabweichung
- 18
- Profilsehne
- 19
- Ursprung
- 20
- Hinterkantenbereich
- 21
- Schaufelfußelement
- t
- Tangentialrichtung
- dt
- Tangentialvariationswert
- r
- Radialrichtung
- x
- Axialrichtung
- dx
- Axialvariationswert
- A
- Nominalschaufelungswinkel
- dA
- Schaufelungswinkelvariation
1. Schaufel (1) für eine Strömungsmaschine (2), insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk,
aufweisend ein Schaufelinnenprofil (5) und einen Strahlablenkungsabschnitt (6), der
sich in einer Radialrichtung (r) bezüglich einer Rotorwelle (4) an das Schaufelinnenprofil
(5) anschließt,
wobei jeweilige, normal zur Radialrichtung (r) ausgerichtete Schaufelprofile (7) des
Strahlablenkungsabschnitts (6) jeweilige Schwerpunkte (8) aufweisen,
die Schwerpunkte (8) bezüglich einer linear entlang der Radialrichtung (r) verlaufenden
Bezugslinie (9) um jeweilige Axialvariationswerte (dx) in einer Axialrichtung (x)
parallel zur Rotorwelle (4) verschoben sind,
und /oder
die Schwerpunkte (8) bezüglich der Bezugslinie (9) um jeweilige Tangentialvariationswerte
(dt) in einer Tangentialrichtung (t) verschoben sind,
wobei die jeweiligen Schwerpunkte (8) durch eine von dem Schaufelinnenprofil (5) ausgehende
Fädellinie verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fädellinie eine Raumlinie ist, wobei eine Gesamtabweichung (17) der Raumlinie
in den Schaufelprofilen (7) zu der Bezugslinie (9) in Abhängigkeit eines jeweiligen
radialen Abstands des jeweiligen Schaufelprofils (7) zu einem Bezugspunkt durch ein
Polynom n-ter Ordnung beschrieben ist, wobei n eine natürliche Zahl größer als 1 ist
und dass die Fädellinie so gewählt und ausgelegt ist, dass sich im Betrieb im Bereich
der Vorderkante der Schaufel eine Druckspannung ergibt.
2. Schaufel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fädellinie derart ausgebildet ist, dass ein Maximum der Polynomform der Fädellinie
gegenüber einer rein radial verlaufenden Fädellinie axial nach hinten verschoben ist.
3. Schaufel (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen Tangentialvariationswerte (dt) in einem Bereich zwischen -5 Grad und
+5, vorzugsweise zwischen -2,5 Grad bis 2,5 Grad liegen.
4. Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger der Axialvariationswerte (dx) in einem Bereich zwischen 0 und 20 Prozent
einer jeweiligen Profilsehnenlänge (18) des jeweiligen Schaufelprofils (7) liegt.
5. Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein jeweiliger der Axialvariationswerte (dx) in einem Bereich zwischen 0 und 10 Prozent
einer jeweiligen Profilsehnenlänge (18) des jeweiligen Schaufelprofils (7) liegt.
6. Schaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaufel (1) als Laufschaufel ausgebildet ist.
7. Schaufel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweilige Staffelungswinkel zumindest einiger der Schaufelprofile (7) um jeweilige
Staffelungswinkelvariationswerte (dA) von einem Nominalstaffelungswinkel (A) des Schaufelinnenprofils
(5) abweichen, wobei die jeweiligen Staffelungswinkelvariationswerte (dA) in einem
Bereich zwischen -2 Grad und 2 Grad liegen.
8. Schaufel nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Fädellinie derart gewählt ist, dass ein Verhältnis
der Spannung im Betriebszustand an der Vorderkante (σ
1,LE) zur mittleren Spannung in einzelnen Profilschnitten (
σave) über die unteren 90% der radialen Schaufelerstreckung kleiner oder gleich 0.5 beträgt
9. Strömungsmaschine (2), aufweisend zumindest eine Schaufel (1) nach einem der Ansprüche
1 bis 8.