Laufschaufel für einen Verdichter einer Turbomaschine, Verdichter sowie Turbomaschine

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel für einen Verdichter einer Turbomaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Verdichter mit derartigen Laufschaufeln sowie eine Turbomaschine mit einem derartigen Verdichter.

Bei Verdichtern in Turbomaschinen kann regelmäßig beim Betreiben der Verdichter außerhalb eines Auslegungspunktes der Laufschaufeln ein sogenanntes Verdichterpumpen einsetzen, bei dem sich der Druck im Verdichter infolge einer Strömungsablösung an den Laufschaufeln von hinten nach vorne abbaut und somit eine Rückströmung gebildet wird. Dabei treten in der Beschaufelung hohe Belastungen auf, die zum Teil auf ein Schwingen bzw. Flattern während der Rückströmphase zurückzuführen sind. Eine bekannte Maßnahme zur Reduzierung der Belastung ist gezieltes Mistuning. Dieses ist jedoch technisch sehr aufwendig. Eine alternative Maßnahme ist die Beeinflussung der stationären und instationären Strömung im Bereich der Hinterkante in Gehäusenähe, da dieser Bereich maßgeblich für die Belastung ist. So ist es bspw. aus der DE 10 2008 037 154 AI bekannt, in einer den Laufschaufeln gegenüberliegenden Ringraumwandung eine Vielzahl von parallelogrammartigen Nuten oder Umfangsnuten vorzusehen, die derart in der Ringraumwandung positioniert sind, dass sie im Vorderkantenbereich der Laufschaufeln angeordnet sind. Aus der DE 2 942 703 AI ist es bekannt, in einer den Laufschaufeln gegenüberliegenden Ringraumwandung eine Umfangsnut einzubringen.

Neben diesen statorseitigen Modifikationen sind ebenfalls schaufelseitige Modifikationen zur Belastungsreduzierung der Schaufeln bekannt. So wird z.B. in der DE 103 52 253 AI zur Verbesserung eines Schwingverhaltens von Laufschaufeln vorgeschlagen, diese blattspitzen- seitig mit einer in die Hinterkante mündenden Stufe zu versehen. In der US 2010/0008785 AI wird zur Verbesserung des Schwingverhaltens vorgeschlagen, zwischen der Vorderkante und der Hinterkante der Laufschaufeln jeweils eine zur Blattspitze geöffnete druckseitige Tasche

|Bestätigungskopie| auszubilden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laufschaufel für einen Verdichter einer Turbomaschine zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigt und reduzierten Belastungen ausgesetzt ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verdichter mit einer hohen Verdichterstabilität sowie eine Turbomaschine mit einem hohen Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laufschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und durch eine Turbo- maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.

Eine erfindungsgemäße Laufschaufel für einen Verdichter einer Turbomaschine hat ein Schaufelblatt, das eine Vorderkante, eine Hinterkante und eine Blattspitze aufweist, zwischen denen sich eine Druckseite und eine Saugseite erstreckt. Erfindungsgemäß weist das Schaufelblatt eine druckseitige Profilvariation auf, die sich in die Hinterkante und in die Blattspitze erstreckt.

Die Profilväriation ist eine lokale Profilformänderung der Druckseite. Durch die Positionierung in einem von der Hinterkante und der Blattspitze begrenzten Bereich ist die Profilvariation im Staupunkt einer sich bei Verdichterpumpen einstellenden Rückströmung ausgebildet, wodurch erfindungsgemäß eine Streuung der Rückströmung beim Verdichterpumpen erzielt wird. Die Rückströmung wird in eine Vielzahl von Teilströmen zerlegt und kann somit nicht konzentriert zur Nachbarschaufel übertragen werden. Hierdurch wird die Schaufelbelastung wesentlich reduziert, wodurch die Schaufelblätter wandstärkenreduziert ausgeführt sein können und nicht aufgedickt werden müssen. Zudem entfällt ein gezieltes und technisch aufwendiges Mistuning.

Bei einem fertigungstechnisch einfach herzustellenden Ausf hrungsbeispiel ist die Profilväriation eine zur Blattspitze und zur Hinterkante geöffnete Ausnehmung bzw. Vertiefung.

Die Streuwirkung der. Ausnehmung bzw. Profilvariation lässt sich verbessern, wenn diese in Strömungsrichtung betrachtet in einem Bereich eines maximalen Druckgradienten beginnt. Bei einem alternativen die Schaufelbelastung reduzierenden Ausführungsbeispiel ist die Profilvariation als ein Wellenprofil ausgebildet.

Die Rückströmung lässt sich sehr wirkungsvoll zerstreuen, wenn das Wellenprofil quer zur Strömungsrichtung bzw. radial zur Rotationsrichtung orientiert ist, so dass ihre Wellentäler und Wellenberge jeweils einzelne, die Teilströme selbst zerlegende Strömungsbarrieren für die Rückströmung darstellen.

Ein erfindungsgemäßer Verdichter hat zumindest eine Schaufelreihe mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Laufschaufeln. Ein derartiger Verdichter zeichnet sich durch eine geringe Laufschaufelbelastung bspw. bei einem Verdichterpumpen bzw. beim Ausbilden einer Rückströmung aus, da diese an den Laufschaufeln wirkungsvoll in eine Vielzahl von Teilströmen zerstreut wird. Hierdurch wird zum einen die Verdichterstabilität erhöht und eine sogenannte Flatterneigung verringert. Zum anderen können die Laufschaufeln wandstärkenoptimiert und somit gewichtsreduziert ausgeführt werden, was sich u.a. in einem geringen Verdichtergewicht und in einer hohen Laufruhe resultiert.

Die Verdichterstabilität lässt sich weiter verbessern, wenn die druckseitige Profilvariationen in Richtung der Saugseiten erweitert sind und in eine die Blattspitzen in Querrichtung bzw. in Rotationsrichtung durchsetzende Zurückstufungen übergehen und zudem in einer radial gegenüberliegenden Seitenwandung eine Vielzahl von Gegenkonturen ausgebildet ist. Hierdurch wird ein von den Blattspitzen und der gegenüberliegenden Seitenwandung begrenzter Ringspalt in Strömungsrichtung radial erweitert, wodurch der Druckgradient reduziert werden kann.

Vorzugsweise sind die Zurückstufungen und die Gegenkonturen zueinander symmetrisch. Insbesondere sind die spiegelsymmetrisch ausgebildet.

Bei einem wirkungsvollen und fertigungstechnich einfach ausbildenden Ausführungsbeispiel bilden die Zurückstufungen und die Gegenkonturen eine Vielzahl von rechteckigen Ringspalterweiferungen. Bei einem alternativen wirkungsvollen und einfach herzuteilenden Ausführungsbeispiel bilden die Zurückstufungen und die Gegenkonturen eine Vielzahl von trichterförmigen Ringspalterweiterungen.

Eine erfindungsgemäße Turbomaschine weist einen erfindungsgemäßen Verdichter auf. Eine derartige Turbomaschine zeichnet sich durch geringe Wirkungsgradverluste und somit durch einen hohen Wirkungsgrad sowie durch reduzierte Schaufelblattbelastungen aus.

Sonstige vorteilhafte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur la ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Laufschaufel,

Figur lb eine Detaildarstellung einer druckseitigen Profilierung aus Figur la,

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laufschaufel,

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radialspalterweiterung,

Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Radialspalterweiterung,

Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer statorseitigen Konturvariation, und

Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer statorseitigen Konturvariation.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine abgewickelte Schaufelreihe 1 eines Verdichters eines Flugzeugtriebwerks. Die Schaufelreihe 1 besteht aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung bzw. Rotationsrichtung y nebeneinander angeordneten Laufschaufeln, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Schaufelblatt 2 gezeigt ist.

Das Schaufelblatt 2 hat in Strömungsrichtung x betrachtet eine Vorderkante 4 und eine Hinterkante 6, zwischen denen sich eine Druckseite 8 sowie eine Saugseite 10 erstreckt. Zudem hat das Schaufelblatt 2 eine dem Betrachter zugewandte und sich in Schaufellängsrichtung erstreckende Blattspitze 12, die eine radial äußere Begrenzung der Saugseite 8 und der Druckseite 10 darstellt.

Erfindungsgemäß ist in einem druckseitigen Flächenbereich zwischen der Hinterkante 6 und der Blattspitze 12 eine Profilvariation 14 ausgebildet. Diese ist wie in Figur lb gezeigt, im Bereich eines Staupunktes 16 einer sich bei einer Strömungsablösung ausbildenden Rück- strömung 18 angeordnet und bewirkt die Zerstreuung der Rückströmung 18 in einer Vielzahl von in unterschiedliche Richtungen orientierten Teilströmen 18a, 18b.

Die Profilvariation 14 ist in dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel als eine Ausnehmung ausgebildet, die zur Hinterkante 6 und zur Blattspitze 12 geöffnet ist. Sie bildet eine lokale Querschnittsverjüngung des Schaufelblattes 2 und weist eine gegenüber einem benachbarten Flächenabschnitt 20 zurückgestufte ebene Anströmfläche 22 auf. Vorzugsweise erstreckt sie sich in Schaufelquerrichtung bis zur Mitte des Schaufelblattes 2. Sie ist in Strömungsrichtung x betrachtet von einer vorderen bogenförmigen Hochfläche 24 und von der stromabwärtigen Hinterkante 6 begrenzt. In Radialrichtung wird die Profilvariation 14 von einer sich in Schaufellängsrichtung ersteckenden radial inneren bogenförmigen Längsfläche 26 und der äußeren Blattspitze 12 begrenzt.

Bei einem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die druckseitige Profilvariation 14 als ein Wellenprofil mit einer Vielzahl von Erhebungen bzw. Wellenbergen 28 und einer Vielzahl von Vertiefungen bzw. Wellentälern 30 gebildet. Die Erhebungen 28, die sich jeweils über das Druckseitenprofil hinaus erstrecken, bewirken eine lokale Verdickung des Schaufelblattes 2. Die Vertiefungen 30 bewirken eine lokale Verjüngung des Schaufelblattes 2. Sie sind quer zur Strömungsrichtung x und somit quasi radial zur Rotationsachse orientiert und bilden somit eine Vielzahl von Strömungsbarrieren für die Rückströmung 18 bzw. für deren Teilströme 18a, 18b. Dabei wird es bevorzugt, wenn das Wellenprofil in Strömungsrichtung x betrachtet mit einer Vertiefung 30 beginnt. Dabei kann das Wellenprofil 14 eine konstante Amplitude und eine konstante Wellenlänge aufweisen. Jedoch können die Amplitude und/oder die Wellenlänge auch variieren. Beispielsweise ist es vorstellbar, im Staupunkt 16 eine große Amplitude vorzusehen und diese dann stromaufwärts und stromabwärts zu verkleinern, so dass das Wellenprofil 14 quasi gedämpft beidseits ausläuft. Die Wellenlänge kann dabei unverändert bleiben. Insbesondere können auch nur Wellentäler verwendet werden.

Beide Ausführungsbeispiele bewirken eine Zerstreuung der Rückströmung 18 in eine Vielzahl von in unterschiedliche Richtungen orientierten Teilströmen 18a, 18b, so dass eine Druckstörung, die durch die Schaufel bewegung induziert wird, gestreut zur Nachbarschaufel übergeht. Gleichzeitig bewirken die druckseitigen Profilvariationen 14 eine Energetisierung einer schaufelblattnahen energiearmen Grenzschicht, wodurch eine Strömungsablösung verzögert wird. Zur optimalen Energetisierung beginnt in Strömungsrichtung x betrachtet die Profilvariation 14 im Bereich eines maximalen Druckgradienten 32 zwischen der energiearmen Grenzschicht und einer schaufelblattfernen energiereichen Strömungsschicht. Wie in Figur lb gezeigt ist hierzu die Hochfläche 24 im Bereich des maximalen Druckgradienten 32 angeordnet.

In den Figuren 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Erweiterung 34 eines Radialspaltes 36 zur Beeinflussung der stationären Strömung im Bereich der Laufschaufelhinterkanten 6 gezeigt, der von den Blattspitzen 12 einer Laufschaufelreihe und einer gegenüberliegenden statorseitigen Seitenwandungsabschnitt 38 begrenzt wird. Hierzu ist schaufelblattsei tig etwa im Bereich der in den Figuren la, lb und 2 gezeigten einseitigen Profilvariation 14 eine sich von der Druckseite 8 zur Saugseite 10 erstreckende Zurückstufung 40 ausgebildet, so dass die Blattspitzen 12 im stromabwärtigen hinteren Bereich radial abgesenkt sind. Statorseitig ist in dem Seitenwandungsabschnitt 38 eine der Anzahl der Laufschaufeln entsprechende Anzahl von Gegenkonturen 42 ausgebildet. Die Gegenkonturen 42 sind bevorzugterweise symmetrisch zu den Zurückstufungen 40 ausgebildet und bilden in Kombination mit diesen die Radialspalterweiterungen 34. Diese sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen bevorzugterweise rechteckig (Fig. 3) oder trichterförmig (Fig. 4) ausgeführt. In den Figuren 5 und 6 sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen statorseitigen Konturvariation 44 zur Beeinflussung der stationären Strömung im Bereich der Laufschaufelhinterkanten 6 einer Schaufelreihe 1 gezeigt. Hierzu ist in einem in etwa den Hinterkanten 6 der Laufschaufeln bzw. Schaufelblätter 2 radial gegenüberliegenden Seitenwandungsabschnitt eine Vielzahl von Nuten 46 eingebracht. Diese haben bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel eine parallelogrammartige Gestalt und sind in Umfangsrichtung y gleichmäßig voneinander beabstandet. Bei dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Nuten 46 als parallele Umfangsnuten ausgebildet, die bevorzugterweise in Strömungsrichtung x gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Nuten 46 können jedoch auch wie in Figur 6 durch die vordere Nut 46a gezeigt, in Strömungsrichtung x betrachtet unterschiedlich Axialabstande aufweisen.

Offenbart sind eine Laufschaufel für einen Verdichter einer Turbomaschine mit einem Schaufelblatt, das eine Vorderkante, eine Hinterkante, und eine Blattspitze aufweist, zwischen denen sich eine Druckseite und eine Saugseite erstreckt, wobei eine sich in die Hinterkante und die Blattspitze erstreckende druckseitige Profilvariation vorgesehen ist, ein Verdichter sowie eine Turbomaschine.

Bezugszeichenliste

Schaufelreihe

Schaufelblatt

Vorderkante

Hinterkante

Druckseite

0 Saugseite

2 Blattspitze

4 Profilvariation

6 Staupunkt

8 Rückströmung

8a, b Teilströme

0 Flächenabschnitt

2 Anströmfläche

4 Hochfläche

6 Längsfläche

8 Erhebung / Wellenberg

0 Vertiefung / Wellental

2 Druckgradient

4 Erweiterung

6 Radialspalt

38 S eitenwandungsabschnitt

40 Zurückstufung

42 Gegenkontur

44 Konturvariation

46 Nut

46a vordere Nut x Längsrichtung Strömung / Triebwerk y Umfangsrichtung / Rotationsrichtung z Hochrichtung / Radialrichtung