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Laufschaufel für eine axiale Turbomaschine - Dokument DE102005047016A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005047016A1 05.04.2007
Titel Laufschaufel für eine axiale Turbomaschine
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Klingels, Hermann, 85221 Dachau, DE;
Selmeier, Rudolf, 85777 Fahrenzhausen, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005047016
Offenlegungstag 05.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.04.2007
IPC-Hauptklasse F01D 5/18(2006.01)A, F, I, 20050930, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine mit zumindest einem innen liegenden Strömungskanal (2), wobei der Strömungskanal (2) radial beabstandete Ansaugöffnungen (8) und Ausblasöffnungen (9; 14) miteinander verbindet, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) so ausgebildet ist, dass die Ausblasöffnungen (9; 14) radial weiter außen liegen als die Ansaugöffnungen (8), wobei die Radiendifferenz zwischen Ansaug- und Ausblasstelle so gewählt ist, dass das treibende Druckgefälle in allen relevanten Betriebspunkten groß genug ist, um ein Absaugen und Ausblasen zu ermöglichen. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden. Das in den Strömungskanälen vorhandene Fluid führt bei der Rotation der Schaufel um ihre Drehachse eine Bewegung wie in einem "starren Wirbel" aus. Es entsteht eine Pumpwirkung, die genutzt wird, die energiearme Strömungsgrenzschicht von einem ablösegefährdeten, radial innen liegenden Oberflächenbereich abzusaugen und nach Zuführung der Pumpenergie das abgesaugte Fluid an einem radial weiter außen liegenden Oberflächenbereich zur Energetisierung der Strömung wieder auszublasen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für eine axiale Turbomaschine mit zumindest einem innen liegenden Strömungskanal.

Damit die Beschaufelung einer Turbomaschine, d.h. die Beschaufelung eines Verdichters oder einer Turbine in beabsichtigter Weise funktioniert und die Strömungsverluste gering bleiben, muss die Strömung an den Schaufeloberflächen anliegen.

Besonders auf der Saugseite von Verdichterschaufeln muss das Fluid gegen einen starken Druckgradienten strömen. Dort kann das in der Grenzschicht abgebremst strömende Fluid infolge seiner immer geringer werdenden kinetischen Energie nicht allzu weit gegen den höheren Druck anströmen.

Mit zunehmendem Druck, der sich als Folge der örtlichen Strömungsverzögerung einstellt, nimmt die Neigung der Strömung zum Ablösen von der Oberfläche aufgrund der wachsenden Grenzschichtdicke zu bzw. die Verzögerung und damit der Druckanstieg kann nur soweit getrieben werden, dass die Ablösung gerade noch vermieden wird.

Schon seit langer Zeit sind Maßnahmen bekannt, bei denen das Ablösen durch eine gezielte Beeinflussung der Grenzschicht verhindert wird bzw. höhere aerodynamische Belastungen ermöglicht werden.

In der Praxis haben sich zwei Verfahren als sehr effektiv zur Beeinflussung der Grenzschicht gezeigt. Zum einen ist dies die Absaugung von energiearmer Grenzschichtströmung. Zum anderen die Energetisierung der Grenzschichtströmung durch Ausblasen von energiereichem Fluid auf die Oberfläche.

Zu den beiden genannten Verfahren zur Grenzschichtbeeinflussung gibt es umfangreiche Studien und Veröffentlichungen. So wird in „Proceedings of ASME Turbo Expo 2004, June 14–17, 2004, Vienna, Austria (GT2004-53679)" eine Fan Stufe beschrieben, bei der mittels zwangsweiser Grenzschichtabsaugung mittels externer Vakuumquelle an Lauf- und Leitgitter sowie an einigen Ringraumpositionen eine Verdoppelung des Druckverhältnisses im Vergleich zu einer Stufe ohne Absaugung bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit erzielt wurde. Für die beschriebene Lösung ist eine sehr aufwändig herzustellende, zweigeteilte Schaufelkonstruktion erforderlich. Das abgesaugte Fluid wird über die Schaufelspitzen bzw. über das äußere Deckband ungenutzt abgeblasen. Die oben beschriebenen Lösungen zur Grenzschichtbeeinflussung sind mit erheblichem konstruktivem und mechanischem Aufwand verbunden. Es sind Einrichtungen wie Pumpen, Leitungen, Dichtsysteme, etc. erforderlich. Die Absaugmengen sind zwar relativ klein, bezieht man jedoch die erforderlichen Pumpleistungen in die Gesamtbilanz der Stufe mit ein, so ist mit einem deutlichen Wirkungsgradabschlag zu rechnen. Die Verbesserung der Grenzschichtströmung wird mit hohem Leistungseinsatz erkauft und bringt in der Praxis keine nennenswerten wirtschaftlichen Vorteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Lösung zur Reduzierung der Komplexität und des Leistungsbedarfs des Systems zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll durch die Erfindung ferner der Lärm reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laufschaufel für eine axiale Turbomaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäße Laufschaufel für eine axiale Turbomaschine mit zumindest einem innen liegenden Strömungskanal, wobei der Strömungskanal radial beabstandete Ansaugöffnungen und Ausblasöffnungen miteinander verbindet, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal so ausgebildet ist, dass die Ausblasöffnungen radial weiter außen liegen als die Ansaugöffnungen, wobei die Radiendifferenz zwischen Ansaug- und Ausblasstelle so gewählt ist, dass das bei der Rotation der Schaufel entstehende Druckgefälle in allen relevanten Betriebspunkten groß genug ist, um ein Absaugen und Ausblasen zu ermöglichen.

Durch die Verbindung verschiedener Oberflächenbereiche der Laufschaufel durch Wandöffnungen, die auf unterschiedlichen radialen Positionen liegen, und im Inneren der Schaufeln angeordnete Kanäle, werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden. Das in den Verbindungskanälen vorhandene Fluid führt bei der Rotation der Schaufel um ihre Drehachse eine Bewegung wie in einem „starren Wirbel" aus. Es entsteht eine Pumpwirkung, die genutzt wird, die energiearme Strömungsgrenzschicht von einem ablösegefährdeten, radial innen liegenden Oberflächenbereich abzusaugen und nach Zuführung der Pumpenergie das abgesaugte Fluid an einem radial weiter außen liegenden ablösegefährdetem Oberflächenbereich zur Energetisierung der Grenzschicht wieder auszublasen.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, dass zum Beeinflussen der Grenzschicht einer Schaufel, im Vergleich zu den im Stand der Technik beschriebenen Lösungen, wesentlich weniger Fluid bewegt werden muss, da das abgesaugte Fluid nach Energiezufuhr nochmals zum Beeinflussen der Grenzschicht durch Ausblasen verwendet wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ansaugöffnungen und die Ausblasöffnung auf der Saugseite des Schaufelprofils angeordnet sind. Dabei können die Ansaug- und/oder Ausblasöffnungen als Bohrungen, Schlitze, poröse Wandung oder dergleichen ausgebildet sein.

Die Radiendifferenz zwischen Absaug- und Ausblasestelle wird vorteilhafterweise so gewählt sein, dass das treibende Druckgefälle in allen relevanten Betriebspunkten groß genug ist, um ein Absaugen und Ausblasen zu ermöglichen. Entsprechend der radialen Lage der zusammenwirkenden Absaug- und Ausblasstellen, stellt sich bei gegebener Drehzahl ein bestimmtes Druckverhältnis ein. Durch geeignete Kombination der Oberflächenbereiche ist es somit möglich die Pumpleistung und damit die Energiezufuhr zu minimieren. Außerdem ist das System einfach und kostengünstig herstellbar und lässt sich bei entsprechender Schaufelgröße sehr einfach integrieren.

Durch die Erfindung kann beispielsweise das Druckverhältnis einer Verdichterstufe bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit deutlich vergrößert werden oder ein vorgegebenes Druckverhältnis bei deutlich abgesenkter Drehzahl erreicht werden. In beiden Fällen steigt bei einer direkten Kopplung dieser Stufe mit einer Turbine die aerodynamische Belastung der Turbine stark an.

Besonders vorteilhaft ist daher die Verwendung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel als Fan-Schaufel eines Hoch-Bypass-Triebwerks. Der Fan kann über ein Getriebe von einer schneller laufenden Turbine angetrieben sein. Das entsprechend des spezifischen Schubs vorgegebene Druckverhältnis des Fan-Außenstroms kann dann bei niedrigster Umfangsgeschwindigkeit erzeugt werden, wobei die Turbine bei einer optimalen Drehzahl betrieben werden kann.

Durch die geringere Umfangsgeschwindigkeit des Fans sinkt auch die Relativmachzahl wodurch die Strömungsverluste verringert werden. Die dadurch erzielte Wirkungsgradverbesserung kompensiert die Verlustleistung für die zusätzliche Pumpleistung. Zudem wird der so genannte „Sägezahnlärm" (Buzz-saw noise), der infolge der Verdichtungsstöße bei Überschall Relativgeschwindigkeit auftritt, wegen der kleiner werdenden Überschallgebiete reduziert.

Die Verringerung der Umfangsgeschwindigkeit bzw. der Drehzahl erfordert eine größere Umlenkung der Strömung, um das geforderte Druckverhältnis zu erreichen. Ohne Grenzschichtbeeinflussung würden die Grenzschichtdicke ansteigen und ggf. lokale Ablösegebiete entstehen. Der so genannte „Breitbandlärm" bzw. Grenzschichtlärm ist die Folge der Nachlaufdellen in der Druckverteilung hinter dem Rotor, welche durch die Grenzschicht verursacht werden.

Durch Absaugen und Ausblasung werden die Grenzschichten derart beeinflusst, dass in Strömungsrichtung hinter diesen Stellen dünnere Grenzschichten vorliegen. Dadurch wird auch der Breitbandlärm reduziert. Beide Effekte zusammen ergeben eine deutliche Lärmreduktion.

Die Erfindung kann auch derart genutzt werden, dass Teile des radial weiter innen abgesaugten Fluids nach der Energiezufuhr radial weiter außen im Bereich der Hinterkante ausgeblasen werden. Damit wird dann nicht die Grenzschicht beeinflusst, sondern die „Nachlaufdellen" in der Druck- und Massestromverteilung aufgefüllt bzw. vergleichmäßigt, mit dem Ziel der Verringerung des Breitbandlärms.

Schließlich sieht eine vorteilhafte Verwendung einer Laufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung vor, dass der Fan einen Vorsatzläufer aufweist. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird im Wirkbereich des Vorsatzläufers ein relativ hohes Druckverhältnis erzeugt. Die Mischverluste zwischen den Bereichen mit und ohne Vorsatzläufer können verringert werden, wenn der radiale Druckgradient in diesem Bereich minimiert wird. Hier ist die Grenzschichtbeeinflussung radial außerhalb des Vorsatzläufers mittels der erfindungsgemäßen Lösung besonders nützlich und wirkungsvoll.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Laufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 ein schematischer Querschnitt entlang der Linie II-II aus 1;

3 ein schematischer Querschnitt entlang der Linie III-III aus 1;

4 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Laufschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung;

5 ein schematischer Querschnitt entlang der Linie V-V aus 4;

6 ein schematischer Querschnitt entlang der Linie VI-VI aus 4;

Bei den abgebildeten Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Richtungsangaben beziehen sich auf die Längsachse des Axialverdichters.

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Verdichterschaufel 1 mit Profilnase 4, Profilhinterkante 5, Schaufelinnendeckband 6 und Schaufelspitze 7. Die Verdichterschaufel 1 weist dabei innerhalb der Schaufelflächen liegende Strömungskanäle 2, 3 auf. Die Strömungskanäle 2 verbinden als Schlitze ausgebildete radial beabstandete Ansaugöffnungen 8 und ebenfalls als Schlitze ausgebildete Ausblasöffnungen 9 miteinander. Ferner verbinden die Strömungskanäle 3 weitere als Längsschlitze ausgebildete Ansaugöffnungen 10 mit an der Schaufelspitze angeordneten Ausblasöffnungen 13. Das in den Strömungskanälen 2, 3 befindliche Fluid führt bei der Rotation der Schaufel um ihre Drehachse eine Bewegung wie in einem „starren Wirbel" aus. Aufgrund der entstehenden Pumpwirkung bildet sich innerhalb der Strömungskanäle 2, 3 in der Verdichterschaufel 1 eine Strömung, die durch Pfeile angedeutet ist, aus.

2 und 3 zeigen schematische Querschnitte entlang der Schnittlinien II-II bzw. III-III aus 1. Die gezeigten Profilquerschnitte weisen in beiden Darstellungen Profilnase 4 und Profilhinterkante 5 sowie konkave Druckseite 12 und konvexe Saugseite 11 auf.

Dabei verläuft der Schnitt entlang der Linie III-III so, dass in 3 die auf der konvexen Saugseite (11) angeordneten Ansaugschlitze 8 erkennbar sind, die in den Strömungskanal 2 münden. Ferner ist die abgesaugte Strömung durch die entsprechende Pfeile angedeutet.

In 2 verläuft die Schnittlinie durch die Ebene der auf der konvexen Saugseite angeordneten Ausblasöffnungen 9, die über den Strömungskanal 2 mit den Ansaugöffnungen 8 verbunden sind. Dabei ist die ausgeblasene Strömung durch Pfeile angedeutet. Ferner ist in 2 der zweite Strömungskanal 3 dargestellt, der die Ansaugöffnungen 10 mit den Ausblasöffnungen 13 an der Schaufelspitze 7 verbindet.

4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Verdichterschaufel 1 mit Blattspitzen- und Hinterkantenausblasung. Die Schaufel weist dabei eine Profilnase 4, eine Profilhinterkante 5, ein Schaufelinnendeckband 6 und eine Schaufelspitze 7 auf. Wie im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind innerhalb der Schaufelflächen liegende Strömungskanäle 2, 3 angeordnet. Allerdings verbindet hier der Strömungskanal 2 die Ansaugöffnungen 8 mit Hinterkanten-Ausblasöffnung 14. Dies wird insbesondere in den in 5 und 6 gezeigten Schnitten zu 4 deutlich.

Hierdurch wird ein Teil des von der Saugseite radial weiter innen über die Ansaugöffnungen 8 abgesaugten Fluids weiter außen im Bereich der Hinterkante ausgeblasen. Damit wird die so genannte Nachlaufdelle in der Druck- und Massestromverteilung aufgefüllt bzw. vergleichmäßigt. Hierdurch wird der Breitbandlärm des Verdichters verringert.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Insbesondere ist für den Fachmann eine Kombination der Kanalsysteme aus 1 und 4 denkbar.

1
Verdichterschaufel
2
Innerer Strömungskanal
3
Innerer Strömungskanal
4
Profilnase
5
Profilhinterkante
6
Schaufelfuß (Schaufelinnendeckband)
7
Schaufelspitze
8
Ansaugöffnung
9
Ausblasöffnung
10
Ansaugöffnung
11
Konvexe Saugseite
12
Konkave Druckseite
13
Ausblasöffnung
14
Hinterkanten-Ausblasöffnung


Anspruch[de]
Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine mit zumindest einem innen liegenden Strömungskanal (2), wobei der Strömungskanal (2) radial beabstandete Ansaugöffnungen (8) und Ausblasöffnungen (9; 14) miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (2) so ausgebildet ist, dass die Ausblasöffnungen (9; 14) radial weiter außen liegen als die Ansaugöffnungen (8), wobei die Radiendifferenz zwischen Ansaug- und Ausblasstelle so gewählt ist, dass das treibende Druckgefälle in allen relevanten Betriebspunkten groß genug ist, um ein Absaugen und Ausblasen zu ermöglichen. Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugöffnungen (8) auf der Saugseite (11) des Schaufelprofils angeordnet sind. Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausblasöffnungen (9) auf der Saugseite (11) des Schaufelprofils angeordnet sind. Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausblasöffnungen (14) an der Profilhinterkante (5) angeordnet sind. Laufschaufel (1) für eine axiale Turbomaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaug- und/oder Ausblasöffnungen (8, 9; 14) als Bohrungen, Schlitze, poröse Wandung oder dergleichen ausgebildet sind. Verwendung einer Laufschaufel nach Patentanspruch 1 als Fan-Schaufel eines Hoch-Bypass-Triebwerks. Verwendung einer Laufschaufel nach Patentanspruch 6 wobei der Fan als Getriebefan ausgebildet ist. Verwendung einer Laufschaufel nach Patentanspruch 6 wobei der Fan einen Vorsatzläufer aufweist.






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