DE69721114T2

DE69721114T2 - Gekrümmte Gebläseschaufel

Info

Publication number: DE69721114T2
Application number: DE69721114T
Authority: DE
Inventors: Paul Anthony Clifton Rowlands
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: DE69721114D1; EP0801230B2; EP0801230B1; GB9607316D0; EP0801230A2; EP0801230A3; DE69721114T3

Description

Die Erfindung betrifft eine gepfeilte Gebläseschaufel oder Verdichterschaufel für ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Konstruktion von Gebläseschaufeln für ein Triebwerk mit hohem Beipassverhältnis derart, wie es zum Antrieb moderner Zivilflugzeuge eingesetzt wird. Eine primäre Funktion des Gebläses ist die Erzeugung von Vortriebsschub durch Energiezufuhr zu der durch den Gebläsekanal strömenden Luft, wodurch der Druck und das Moment der Luft gesteigert wird. Die Leistung eines solchen Rotors wird nach dem Maximalschub beurteilt, den er mittels maximalen Luftstroms und maximalen Druckanstiegs erzeugt, und nach dem Anteil der dem Gebläse zugeführten Eingangsenergie, die in nutzbaren Schub umgewandelt wird, charakterisiert durch den adiabatischen Gebläsewirkungsgrad. Die Gebläsestabilität ist ein wichtiger Konstruktionsgesichtspunkt, und zur Sicherstellung eines stabilen Betriebs wird ein Spielraum zugelassen. Daher ist es Standardpraxis, ein Gebläse so auszulegen, daß man bei einer gewählten Drehzahl, die unterhalb der maximal erreichbaren Drehzahl liegt, einen gegebenen Luftstrom und einen gegebenen Druckanstieg erreicht und damit einen Stabilitätsbereich vorsieht.
Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung des Gebläsewirkungsgrads oberhalb der gegenwärtig mit existierenden Konstruktionen erreichbaren Werte, und dies, während die Gebläsedrehzahl aufrechterhalten wird und während der Druckanstieg ohne Erosion des Stabilitätsbereichs aufrechterhalten oder verbessert wird.
Der Rotorwirkungsgrad hat einen starken Einfluß auf den Triebwerksbrennstoffverbrauch, so daß eine Steigerung des Rotorwirkungsgrads eine direkte und wesentliche Auswirkung auf den Brennstoffverbrauch hat.
Ein Gebläserotor weist eine Anzahl von um eine Nabe montierten Rotorschaufeln auf. Die Form jeder Schaufel kann begrifflich als eine Vielzahl gestapelter Tragflächenprofilsegmente mit einer Vorderkante, einer Hinterkante, einer Druckfläche und einer Saugfläche definiert werden. Diese Tragflächenprofilsegmente sind aufeinander gestapelt und können axial und umfangsmäßig so angeordnet sein, daß die Vorderkante in einer gewünschten Weise gepfeilt ist. Bei einer Vorwärtspfeilung sind die Segmentvorderkanten bei größeren Rotorradien fortschreitend weiter in stromaufwärtiger Richtung versetzt, und in ähnlicher Weise ist bei einer Rückwärtspfeilung der entgegengesetzte fortschreitende Axialversatz in stromabwärtiger Richtung bei zunehmend größeren Radien vorhanden. Der Anstellwinkel eines Tragflügelsegments ist der Verdrehungswinkel eines Segments, gemessen als der Winkel zwischen der Segmentsehne und einer Ebene durch die Drehachse. Die Sehne eines Schaufelsegments ist eine gerade Linie zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Segments.
Die EP-0 266 298 A beschreibt eine gepfeilte Gebläseschaufel mit einer Vorderkante, bei welcher ein Pfeilungswinkel zwischen dem Fuß und einem ersten Zwischenradius gebildet ist und die Vorderkante zwischen dem ersten Zwischenradius und der Spitze einen Rückwärtspfeilwinkel hat.
Die EP-0 774 567 A, deren Prioritätsdatum der 17. November 1995 und deren Veröffentlichungsdatum der 21. Mai 1997 ist, beschreibt eine gepfeilte Gebläseschaufel mit einer Vorderkante, die zwischen dem Fuß und einem ersten Zwischenradius einen Vorwärtspfeilungswinkel aufweist und zwischen dem ersten Zwischenradius und einem zweiten Zwischenradius einen Rückwärtspfeilungswinkel aufweist, sowie zwischen dem zweiten Zwischenradius und der Spitze einen Rückwärtspfeilungswinkel aufweist. Der Rückwärtspfeilungswinkel zwischen dem zweiten Zwischenradius und der Spitze nimmt ab bzw. nimmt nicht zu.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine gepfeilte Gebläseschaufel für ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk einen Fuß, eine Spitze, eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckseite und eine Saugseite auf, wobei die Vorderkante mit Bezug auf die Axialrichtung des Luftstroms um einen Pfeilungswinkel geneigt ist, der sich mit der Schaufelhöhe verändert, wobei weiter die Vorderkante einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen dem Fuß und einem ersten Zwischenradius aufweist, und die Vorderkante einen Rückwärtspfeilungswinkel zwischen dem ersten Zwischenradius und einem zweiten Zwischen radius aufweist, und die Vorderkante einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen dem zweiten Zwischenradius und der Spitze hat.
Gewöhnlich wird die Pfeilung angewendet, um die Geschwindigkeit des senkrecht zur Vorderkante gemessenen Luftstroms auf subsonische Werte zu verringern.
Die Erfindung und wie sie in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf eine besondere Ausführungsform beschrieben, wie in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung eines Gebläserotors mit gepfeilten Schaufeln,
die 2a, 2b und 2c drei orthogonale Ansichten einer einzelnen Schaufel des Rotors nach 1, auf deren Oberfläche ein Gittermuster erzeugt worden ist, um die Konturen der Schaufel zu verdeutlichen,
die 3a, 3b und 4a, 4b Seiten- und Draufsichten einer nicht gepfeilten bzw. einer gepfeilten Schaufel, um die Wirkung der Pfeilung auf die Schaufelstoßwellen darzustellen,
5 eine Ansicht vom Schaufelspitzenende her mit gestapelten Tragflügelsegmenten, wobei Sehnenlängen und Anstellwinkelveränderung mit der Stapelhöhe dargestellt sind,
die 6a und 6b eine Konturkarte des statischen Drucks auf der Schaufelsaugseite und einer entsprechenden Konturkarte für relative Machzahlen, und
7 eine Tabelle von Pfeilungswinkel, Machwinkel und Machzahl bei einer Anzahl von Punkten entlang der Höhe einer Schaufel.
Es wird zuerst auf die perspektivische Darstellung eines Gebläserotors in 1 Bezug genommen, wo eine kreisförmige Anordnung von Gebläseschaufeln mit identischer Pfeilung gezeigt ist, von denen eine mit 2 bezeichnet ist und die mit gleichen Abständen um den Umfang einer drehbaren Nabe 4 angeordnet sind. Die Art und Weise, wie die Schaufeln 2 auf der Nabe 4 montiert sind, hat für die vorliegende Erfindung keine Bedeutung und diese Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform beabsichtigt keine allgemeine Beschränkung und eine solche sollte daraus nicht abgeleitet werden. In ähnlicher Weise ist die Zusammensetzung und Konstruktion der Schaufel t für diese Erfindung unbedeutend, d. h. ob die Schaufeln massiv oder hohl, aus Metall oder Kompositwerkstoff bestehen, oder monolithisch oder in anderer Weise hergestellt sind.
Die Nabe 4 ist um eine Achse 6 in Richtung des Pfeils 8 drehbar, und diese Drehrichtung definiert für jede Schaufel t ihre Vorderkante 10 und Hinterkante 12. Die Schaufeln sind deckbandlos und haben daher eine ebene Spitze 14. In jeder der Zeichnungen haben gleiche Teile gleiche Bezugszeichen. Daher kann aus 2 entnommen werden, daß nach Einbau in ein Triebwerk die Schaufelspitze 14 nahe an einer Gebläsekanalwand 16 läuft, welche die Gebläserotorstufe 1 umgibt und die Innenwandfläche einer Triebwerkszelle bildet, von welcher ein Teil bei 18 dargestellt ist. In 2 ist nur eine Schaufel dargestellt, die anderen sind der Klarheit halber weggelassen. In 1 ist auch der Scheitel der Nabe 4 abgebrochen dargestellt, um die Schaufeln auf der anderen Seite sichtbar zu machen, die sonst verdeckt wären.
In den drei orthognal zueinander stehenden Ansichten nach 2 ist die Schaufel mit einem quadratischen Gittermuster auf Sauseite und Druckseite versehen. Bei Ansicht von der Seite, der Front und von oben in den 2a, 2b und 2c ist das quadratische Muster in den perspektivischen Darstellungen also wegen der gewölbten Schaufeloberflächen verzerrt, wodurch die Formen dieser Flächen ersichtlich werden.
Die Form jeder Schaufel t des Gebläserotors 1 ist begrifflich durch eine Vielzahl gestapelter Tragflügelsegmente definiert, die jeweils eine Vorderkante, eine Hinterkante, eine Druckfläche und eine Saugfläche haben. Obwohl der leichteren Beschreibung halber nur eine begrenzte Anzahl von Segmenten erörtert wird, und 5 11 solche Segmentprofile zeigt, ist klar, daß in der Praxis die Anzahl der Inkrementschritte der mathematischen Berechnung ein Kontinuum unendlich dünner Inkrementschritte wäre.
Die 3a und 3b zeigen eine Seitenansicht und eine Spitzenansicht einer herkömmlichen Rotorschaufel 30 mit gerader Kante, die zeigen, daß die Tragflügelabschnitte über den größten Teil der Schaufelhöhe in einem Transsonischen Strömungsbereich arbeiten. Das bedeutet, daß die Geschwindigkeit der Luftströmung relativ zum Rotor supersonisch ist, wenn sie über die Vorderkante 32 der Schaufel strömt, aber vor dem Passieren der Hinterkante 34 auf subsonische Geschwindigkeit verzögert wird. Ein großer Teil dieser Verzögerung findet in einer Stufendruckdiskontinuität 36 statt, die als zweidimensionale Fläche über einen Strömungskanal zwischen benachbarten Schaufeln verläuft und daher an eine Seite durch die Saugfläche einer Schaufel und die Druckfläche einer benachbarten Rotorschaufel gebunden ist. Diese Diskontinuität 36, die als Kanalstoßwelle bekannt ist, tritt auf, weil die stromaufwärtige supersonische Strömung per Definition mehr graduell auf stromabwärtige subsonische Bedingungen reagieren kann.
Die Kanalstoßwelle fügt der Luft Energie zu, von welcher ein Teil als Schub rückgewonnen werden kann, und dieser Energieverlust in der Stoßwelle trägt beträchtlich zur Gesamtineffizienz des Gebläserotors bei. Die Stoßwellentherorie besagt, daß diese Verluste verringert werden, wenn die Machtzahl der Luftströmung unmittelbar vor der Stoßwelle und senkrecht zur Wellenfront gemessen, verringert wird. Daher kann die Rotoreffizienz dadurch gesteigert werden, daß die Stoßwelle so geneigt wird, daß der Luftstrom die Diskontinuität unter einem schrägeren Winkel trifft. Die Stoßwellenneigung wird durch Anwenden einer Pfeilung bei dem Rotor erreicht, wie sie in Seiten- und Spitzenansicht nach den 4a und 4b dargestellt ist.
Ein Pumpschwingungs-Sicherheitsspielraum ist ein weiteres zu betrachtendes Konstruktionskriterium. Im normalen Betrieb müssen Druckanstieg und Luftströmungsdurchsatz des Rotors ausreichend Sicherheitspielraum haben, um ein Flattern oder Pumpschwingungen zu verhindern. Dieser Spielraum wird ausgehöhlt, wenn der Druckanstieg im Betrieb gesteigert wird. In solchen Fällen verschiebt sich die Stoßwelle nach vorne in Richtung zur Vorderkante der Rotorschaufeln. Gegebenenfalls wird ein Grenzpunkt erreicht, wenn der Rotor keinen stabilen Betrieb mehr aufrecht erhalten kann, und der Rotor erfährt dann ent weder eine heftige Luftströmungsumkehr, die als Pumpschwingung bekannt ist oder eine heftige Vibration, die durch örtliche Schwingungen des Luftstroms verursacht wird und als Flattern bekannt ist.
Eine einfache Form einer gepfeilten Rotorschaufel 40 ist in den 4a und 4b dargestellt. Dabei sind die gestapelten Tragflügelsegmente einer herkömmlichen Schaufel, beispielsweise nach den 3a und 3b, effektiv axial und umfangsmäßig verschoben, um eine gepfeilte Vorderkante 4 zu ergeben. Es ist notwendig, nahe der Nabe 4 eine Vorwärtspfeilung anzuwenden, um der Rückwärtspfeilung der äußeren Abschnitte der Schaufel 30 entgegenzuwirken, um die Konstruktion mechanisch machbar zu machen. In den 4a und 4b ist ebenfalls die Position der Stoßfläche 46 nahe der Saugfläche gezeigt. Bei einem gegebenen Tragflügelsegment mit einer spezifischen Distanz von der Triebwerksmittellinie (radiale Höhe) ist die Position der Stoßwelle 46 nicht nur eine Funktion der Form und Position dieses Segments, sondern auch der Position der Stoßwelle bei anderen Segmenten, d. h. bei unterschiedlichen radialen Höhen. Dies bedeutet, daß, wenn eine gepfeilte Schaufel in der oben beschriebenen Weise ausgelegt ist, die zweidimensionale Stoßfläche 46 zu einer geringeren Verschiebung tendiert als die Verschiebung der Tragflügelsegmente, d. h. die Stoßfläche ist nicht so stark gepfeilt wie die Vorderkante 42. Dies resultiert darin, daß die Stoßwelle näher bei der oder sogar vor der Vorderkante 42 nahe der Saugfläche an der Schaufelspitze liegt, wie in 4a gezeigt ist.
Eine solche Konstruktion hat eine ihr innewohnende schlechte Stabilität, d. h. eine niedrige Druckanstiegsfähigkeit im Vergleich mit der ursprünglichen herkömmlichen Konstruktion. Eine gepfeilte Schaufel dieser Art ist daher nicht brauchbar.
Die vorliegende Erfindung überwindet jedoch diese innewohnenden Stabilitätsprobleme der Pfeilung durch Anwendung einer Anzahl spezifischer neuer mechanischer Merkmale, um die Stoßfläche rückwärts zu verschieben, weg von der Vorderkante an der Schaufelspitze.
Die mechanische Form einer nach der vorliegenden Erfindung konstruierten Gebläseschaufel ist in 1, den 2a, 2b, 2c, und 5 dargestellt. Wie oben erwähnt, haben die drei Darstellungen nach den 2a, 2b und 2c ein Rechteckgitter auf den Schaufelflächen, um ihre Oberflächenkonturen zu verdeutlichen. 5 zeigt in einer übergelagerten bzw. gestapelten Darstellung 11 Schaufelsegmentprofile S₁ bis S₁₁ , die mit gleichmäßig beabstandeten radialen Höhen vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze entnommen sind, um die Pfeilung, Neigung, Verdrehung usw. der Schaufel in den elf aufeinanderfolgend größeren radialen Höhen zu zeigen.
Die Rotorschaufel-Vorderkante 10 (2a) ist von der Nabe 4 bzw. vom Fußsegment S₁ (5) bis zu einem vordersten Segment S₅ in etwa mittiger Höhe vorwärts gepfeilt, von wo aus die Vorderkante durch die Segmente S₆ bis S₁₀ rückwärts gepfeilt ist. Nahe der Schaufelspitze 16 (2a) wird die Vorderkante gerade und ist dann vorwärts zur Schaufelspitze S₁₁ gepfeilt. Zwischen den Segmenten S₁₀ und S₁₁ nimmt die Sehnenlänge des Tragflügelsegments zu. Das Schaufelspitzensegment S₁₁ ist vorderhalb des Schaufelnabensegments S₁₁ positioniert, so daß die Stelle in der Mitte zwischen der Vorderkante und der Hinterkante des Spitzensegments axial stromauf eines entsprechenden Punkts im Nabensegment liegt.
Der Anstellwinkel bzw. die Verdrehung der Schaufelsegmente und ihre Änderung mit der radialen Höhe zwischen den Segmenten ergibt sich ebenfalls aus 5. Im Vergleich mit einem bekannten herkömmlichen Gebläserotor ähnlicher Abmessungen ist der Anstellwinkel der Segmente in mittiger Höhe verringert und der Anstellwinkel der Spitzensegmente vergrößert. Dieses Merkmal erzeugt eine ausgeprägte Veränderung der Luftstromverteilung über der Spannweite einer Schaufel in der Höhenmitte mit dem Ergebnis, daß der Luftstrom durch die Bereiche in der Höhenmitte des Strömungskanals vergrößert und der Luftstrom durch die Spitzenbereiche verringert wird.
Die nach der Erfindung erzeugte unterschiedliche Luftstromverteilung ist nur nahe dem Rotor und in axialer Richtung evident, d. h. innerhalb etwa einer Sehnenlänge stromauf der Vorderkante und einer ähnlichen Distanz stromab der Hinterkante. Folglich wird der Luft- Strom in diesem Bereich sowohl von der Nabe also auch von der Spitze weg abgelenkt und folgt einer gekrümmten Bahn in Richtung zur Kanalregion in Höhenmitte.
Ferner zu den oben beschriebenen Merkmalen wird die Stabilität der gepfeilten Schaufel durch Anwenden nur mäßiger Pfeilungsmaße im Vergleich zu früheren Konstruktionen aufrecht erhalten, die zur Einstellung des Pfeilungswinkels größer als das Komplement des Machkonuswinkels an einer gegebenen Position des Tragflügelsegments, gewöhnlich der Vorderkante, tendieren, obwohl andere zusätzliche Positionen, zum Beispiel den Punkt minimalen statischen Drucks an der Saugseite, auch ins Auge gefasst worden sind.
Wie oben erwähnt, erzeugt jede Schaufel im Betrieb eine Stoßwellenfront, die bei Auslegungsdrehzahl eine vorgegebene Distanz hinter der Vorderkante liegt. Auch auf der Saugseite der Schaufel wirken die Segmentprofile zusammen, um eine in Spannweitenrichtung verlaufende Linie von Punkten minimalen statischen Drucks zu erzeugen. 6a zeigt eine Grafik einer statischen Druckkontur auf der Saugseite einer Gebläseschaufel nach der Erfindung, und in den Luftstrombereichen unmittelbar stromauf der Vorderkante 20 und stromab der Hinterkante 22. Die elf Segmentprofile nach 5 sind durch horizontale Linien S₁ bis S₁₁ angedeutet, die so bezeichneten Linien sind parallel zur Luftstromrichtung, die durch einen Pfeil angedeutet ist. Es treten Druckgradienten in der Axial- bzw. Luftstromrichtung in Erscheinung, welche die Verteilung der Linie von Punkten minimalen statischen Drucks in Spannweitenrichtung aufzeigen und vor der Stoßwelle auf der Schaufelfläche den abrupten Übergang zwischen subsonischer und supersonischer Strömung markieren.
6b zeigt die entsprechenden Konturen der relativen Machtzahl für die Luftströmung über die Schaufelsaugfläche. Dies zeigt deutlich die abrupten Übergänge an der Schaufelvorderkante und der Schaufeloberfläche, wo die Kanaldruckwelle die Oberfläche trifft. Auf der links befindlichen Vertikalen Achse sind die ebenen Abschnittszahlen S₁ bis S₁₁ als Querverweis eingetragen.
Die oben beschriebene gepfeilte Schaufelkonstrution ist als beispielhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es versteht sich, daß die beschriebene Konstruktion nicht die einzige gepfeilte Schaufelkonstruktion ist, welche die in den folgenden Patentansprüchen definierte Erfindung verkörpert. 7 enthält eine Tafel, die Pfeilungswinkel, Machwinkel, d. h. der Winkel des Machkonus, und die Machzahl sowohl für die Linie der Punkte minimalen statischen Drucks als auch für die Schaufelvorderkante an den Mittelpunkten jedes der Schaufelsegmente S₁ bis S₁₁ zeigt.

Claims

Gepfeilte Gebläseschaufel (2) für ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk, mit einem Fuß (4), einer Spitze (14), einer Vorderkante (10), einer Hinterkante (12), einer Druckseite und einer Saugseite, wobei die Vorderkante (10) mit Bezug auf die Axialrichtung des Luftstroms um einen Pfeilungswinkel geneigt ist, der sich mit der Schaufelhöhe verändert, wobei weiter die Vorderkante (10) einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen dem Fuß (4) und einem ersten Zwischenradius (SS) aufweist, und die Vorderkante (10) einen Rückwärtspfeilungswinkel zwischen dem ersten Zwischenradius (S₅ ) und einem zweiten Zwischenradius (S₁₀ ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante (10) einen Vorwärtspfeilungswinkel zwischen den zweiten Zwischenradius (S₁₀ ) und der Spitze (14) hat.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach Anspruch 1, wobei die Sehnenlänge der Spitze (14) der gepfeilten Gebläseschaufel (2) länger als die Sehnenlänge am zweiten Zwischenradius (S 10) der gepfeilten Gebläseschaufel (2) ist.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittige Punkt zwischen der Vorderkante (10) und der Hinterkante (12) an der Spitze (14) der gepfeilten Gebläseschaufel (2) axial stromauf des mittigen Punkts zwischen der Vorderkante (10) und der Hinterkante (12) am Fuß (4) der gepfeilten Gebläseschaufel (2) liegt.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Anstellwinkel der gepfeilten Gebläseschaufel (2) fortschreitend vom Fuß (4) zur Spitze) 14 zunimmt.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vor der Druckseite und der Saugseite im Betrieb eine Linie minimaler Druckpunkte auf der Saugseite der gepfeilten Gebläseschaufel (2) erzeugt, die außerdem mit Bezug auf die Axialrichtung um einen Winkel geneigt ist, der sich mit der Schaufelhöhe der gepfeilten Gebläseschaufel (2) verändert und einen negativen Wert in einem Bereich subsonischer Strömung über die Vorderkante (10) hat.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach Anspruch 4, wobei der Anstellwinkel von etwa 64° auf etwa 70° zwischen dem zweiten Zwischenradius (S₁₀ ) und der Spitze (14) zunimmt.
Gepfeilte Gebläseschaufel nach Anspruch 4 oder 6, wobei der Anstellwinkel von etwa 35° auf etwa 64° zwischen dem ersten Zwischenradius (S₅ ) und dem zweiten Zwischenradius (S₁₀ ) zunimmt.
Gebläsestufe mit gepfeilten Schaufeln für ein Mantelgebläse-Gasturbinentriebwerk, mit einer Vielzahl gepfeilter Gebläseschaufeln (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die um eine Nabe (4) in umfangsmäßiger Anordnung angeordnet sind.
Gebläsestufe mit gepfeilten Schaufeln nach Anspruch 8, mit einer Gebläsekanalwand (16), welche die gepfeilten Gebläseschaufeln (2) umschließt, wobei die Gebläsekanalwand (16) in stromabwärtiger Richtung im Bereich der gepfeilten Gebläseschaufeln (2) konvergent ist.