DE102005060699A1

DE102005060699A1 - Strömungsarbeitsmaschine mit Verstellstator

Info

Publication number: DE102005060699A1
Application number: DE102005060699A
Authority: DE
Inventors: Volker Gümmer
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-06-21
Also published as: US20070140837A1; US7416382B2; EP1798375A2; DE502006008986D1; EP1798375B1; EP1798375A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsarbeitsmaschinenverstell-Stator mit einer Profilskelettlinie, welche sich längs einer Meridianstromlinie erstreckt, wobei der Stator in radialer Richtung in mindestens drei Zonen (Z0, Z1, Z2) unterteilt ist und wobei die jeweils radial innere und die radial äußere Profilskelettlinie jeder Zone (Z0, Z1, Z2) so ausgebildet ist, dass diese folgenden Gleichungen genügen: DOLLAR F1 wobei DOLLAR A - P ein beliebiger Punkt der Profilskelettlinie, DOLLAR A - alpha¶1¶ der Neigungswinkel an der Stator-Vorderkante, DOLLAR A - alpha¶2¶ der Neigungswinkel an der Stator-Hinterkante, DOLLAR A - alpha* der dimensionslose, bezogene Winkel der Gesamtwölbung, DOLLAR A - S* die dimensionslose, bezogene Lauflänge, DOLLAR A - alpha¶P¶ der Winkel der Tangente an einem beliebigen Punkt P der Profilskelettlinie zur mittleren Meridianstromlinie, DOLLAR A - s¶P¶ die Lauflänge der Profilskelettlinie an einem beliebigen Punkt P und DOLLAR A - S die Gesamtlauflänge der Profilskelettlinie sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf verstellbare Statorschaufeln von Strömungsarbeitsmaschinen wie etwa Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren in axialer, halbaxialer oder auch radialer Bauart. Das Arbeitsmedium (Fluid) kann gasförmig oder flüssig sein.
Im Einzelnen betrifft die Erfindung mindestens eine verstellbare Statorschaufel, gegebenenfalls auch ein verstellbares Vorleitrad, einer Strömungsarbeitsmaschine. Die betreffende Beschaufelung ist innerhalb eines Gehäuses, welches die Durchströmung mindestens eines Rotors und eines Stators mit einem Fluid nach außen begrenzt. Während ein Rotor mehrere an einer rotierenden Welle befestigte Rotorschaufeln umfasst und Energie an das Arbeitsmedium abgibt, besteht ein Stator aus mehreren meist im Gehäuse befestigten Statorschaufeln.
Die aerodynamische Belastbarkeit und die Effizienz von Strömungsarbeitsmaschinen, beispielsweise Bläsern, Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren, wird insbesondere durch das Wachstum und die Ablösung von Grenzschichten im Bereich der am Ringkanalrand baulich notwendigen Radialspalte zwischen Beschaufelung und Gehäuse beziehungsweise Nabe begrenzt.
Besonders an drehbaren Verstellstatoren sind die Radialspalte, die durch erforderliche Freischnitte vor und hinter der Drehspindel entstehen, stark ausgeprägt und verursachen beträchtliche Strömungsverluste. Um diese Verluste in Grenzen zu halten, werden üblicherweise möglichst große Drehteller an den inneren und äußeren Enden der Verstellstatoren vorgesehen, um die Erstreckung der Freischnitte in Strömungsrichtung klein zu halten. Vorzugsweise werden die Drehteller so angeordnet, dass sie sich in der kritisch einzustufenden Profilvorderkantenzone der Schaufelrandschnitte befinden.
Nun gibt es aber aufgrund von Versagensrichtlinien und konstruktiven Restriktionen oftmals Konfigurationen von Verstellstatoren, die nur eine kleine Größe und eine nicht weit genug vorn liegende Position der Drehteller aufweisen. Dann bleibt zwangsläufig ein beträchtlicher Radialspalt, sowohl vor als auch hinter dem Drehteller. Der Stand der Technik hält für dieses fundamentale Problem keine aerodynamisch günstigen Lösungen bereit. Der allgemeine Gedanke der Randbeeinflussung von radialen Laufspalten durch Änderung des Skelettlinientyps entlang der Schaufelhöhe ist im Stand der Technik enthalten, doch sind die bekannten Lösungen, insbesondere für die Strömungsverhältnisse an einem Schaufelende mit Drehteller und zwei Teilradialspalten nicht geeignet und folglich uneffektiv.

Die 1 zeigt in schematischer Darstellung zwei Schaufelkonfigurationen nach dem Stand der Technik in der durch die Radialrichtung r und die Axialrichtung x gegebenen Meridianebene. Die Darstellung beschränkt sich auf einen in Nabe wie Gehäuse gelagerten Verstellstator, eine Lagerung alleinig in Gehäuse oder Nabe mit vollem Radialspalt am jeweils anderen Schaufelende kommt in Einzelfällen aber ebenfalls vor.

Auf der linken Bildseite ist ein üblicher Verstellstator ohne Variation des Skelettlinientyps dargestellt. In diesem einfachsten Standardfall besteht die Schaufel aus nur einem Block (Z0) in dem der Typ der Skelettlinie nach einheitlichen Regeln vorgegeben ist. In diese Kategorie fallen die sogenannten CDA (controlled diffusion aerofoils) gemäß US4431376 . Aerodynamisch betrachtet wird durch die CDA eine moderate Profilvorderlast angestrebt.

Auf der rechten Seite ist eine übliche Schaufel mit einem bis zur Vorderkante reichenden Drehteller dargestellt. Anstelle einer vollständig einheitlichen Profilierung kann die Schaufel nach dem Stand der Technik auch über der gesamten Höhe einer kontinuierlichen Änderung des Profiltyps unterworfen sein. Dann wird die ganze Schaufel nicht durch einen Block (Z0) einheitlicher Profilierung, sondern durch eine einzige große Transitionszone repräsentiert. Dazu gehören Konzepte aus bekannten Veröffentlichungen, die eine Transition von einem CDA-Skelettlinientyp zu einem mehr auf Profilhinterlast zielenden Skelettlinientyp in den Schaufelaußenbereichen in Betracht ziehen (R. F. Behlke, Journal of Turbomachinery, Vol. 8, July 1986).

Daneben gibt es Lösungsvorschläge, bei denen die Randzonenströmung durch eine besondere Gestalt der Schaufelfädelachse eine Biegung, eine Pfeilung oder eine V-Stellung, positiv beeinflusst wird (siehe EP0661413A1 , EP1106835A2 , EP1106836A2 ). Keine der bestehenden Lösungen bezieht sich auf Verstellstatoren.

Die vorliegende Erfindung betrifft Statoren, die an mindestens einem Schaufelende drehbar gelagert sind und über eine Spindel um eine feste Drehachse verstellt werden können. Wie in allen hier gezeigten Darstellungen erfolgt die Zuströmung der betreffenden Schaufelreihe, wie durch den dicken Pfeil angedeutet, von links nach rechts.

Als nachteilig erweist sich beim Stand der Technik, dass die entsprechenden Schaufelformen oft bewusst mit geringer Komplexität bezüglich der Skelettlinienform entworfen werden. Für den Fall, dass unterschiedliche Skelettlinientypen entlang der Schaufelhöhe verwendet werden, fehlt eine blockweise Ausprägung der Eigenschaften der Profilskelettlinien, mit deren Hilfe ein stärkerer Einfluss auf die Profildruckverteilung in Wandnähe genommen werden könnte, um das maximal mögliche Maß an Spalt- und Randströmungsberuhigung zu erzielen. Insbesondere bei Verstellstatoren fehlen Schaufelkonzepte mit Skelettlinienvariation längs Schaufelhöhe, die eine, im Schaufelmittenbereich günstige, Profilvorderlast auf angemessene Weise mit einer für die Randbereiche günstigen Art der Lastverteilung kombinieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verstellbare Statorschaufel der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung des Standes der Technik eine sehr wirkungsvolle Beeinflussung der Randströmung durch gezielte und problemgerechte, blockweise Definition der Profilskelettlinien entlang der Schaufelhöhe erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist für den Einsatz in einer Strömungsarbeitsmaschine eine verstellbare Statorschaufel geschaffen, die in unterschiedlichen, durch Meridianstromlinien begrenzten Zonen (Blöcken) der Schaufelhöhe festgelegte Typen von Profilskelettlinien aufweist, unter der Maßgabe, dass

i.) die Verteilung der Skelettlinientypen längs Schaufelhöhe eine ausgeprägte aerodynamische Profilvorderlast im Schaufelmittenbereich auf vorteilhafte Weise mit einer speziellen Profillastverteilung in den Randbereichen kombiniert,
ii.) in den definierten Randzonen Z1 und Z2 durchgängig ein speziell eingegrenzter Skelettlinientyp gemäß der weiter unten gegebenen Definition vorgesehen ist,
iii.) die Wahl des Skelettlinientyps in den sich zur Schaufelmitte hin an Z1 und Z2 anschließenden Transitionszonen T1 und T2 frei ist,
iv.) in der definierten mittleren Schaufelzone Z0 durchgängig ein speziell eingegrenzter Skelettlinientyp gemäß der weiter unten gegebenen Definition vorgesehen ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1: eine schematische Darstellung von Verstellstatoren nach dem Stand der Technik,
2: die Definition von Meridianstromlinien und Stromlinienprofilschnitten,
3a: einen erfindungsgemäßen Verstellstator (Lagerung in Gehäuse und Nabe) "SGN",
3b: einen erfindungsgemäßen Verstellstator (Lagerung im Gehäuse) "SG",
3c: einen erfindungsgemäßen Verstellstator (Lagerung in der Nabe) "SN",
3d: die erfindungsgemäße Zuordnung der Schaufelzonen Z1, Z0, Z2 und der definierten Skelettlinientypen PM und PR,
4: die Definition des Höhenseitenverhältnisses HSV und der individuellen Zonenweiten (Blockweiten) WZ1, WT1, WZ0, WT2, WZ2,
5: die Definition der Drehachsenposition an den Schaufelenden,
6a: die Definition der Skelettlinie eines Stromlinienprofilschnitts,
6b: die Definition des Profilskelettlinientyps "PM" für die Schaufelmittelzone,
6c: die Definition des Profilskelettlinientyps "PR" für die Schaufelrandzone bei einer Drehachsenposition von D = 0,3,
6d: die Definition des Profilskelettlinientyps "PR" für die Schaufelrandzone bei einer Drehachsenposition von D = 0,5.
Die 2 gibt eine genaue Definition der Meridianstromlinien und der Stromlinienprofilschnitte. Die mittlere Meridianstromlinie wird durch die geometrische Mitte des Ringkanals gebildet. Errichtet man an jedem Ort der mittleren Stromlinie eine Normale, so erhält man zum einen den Verlauf der Ringkanalweite W entlang des Strömungspfades und zum anderen eine Anzahl von Normalen, mit deren Hilfe sich bei gleicher relativer Unterteilung in Richtung der Kanalhöhe weitere Meridianstromlinien ergeben. Der Schnitt einer Meridianstromlinie mit einer Schaufel ergibt einen Stromlinienprofilschnitt.
Die 3a zeigt die erfindungsgemäß verstellbare Statorschaufel mit Lagerung in Gehäuse und Nabe "SGN" in der durch die Axialkoordinate x und die Radialkoordinate r bestimmten Meridianebene. Darin sind die Schaufelrandzonen Z1 und Z2, die Transitionszonen T1 und T2 sowie die Schaufelmittelzone Z0 besonders gekennzeichnet und jeweils durch Meridianstromlinien gemäß der Definition in 2 begrenzt. Jeder einzelnen der fünf Schaufelzonen ist eine Teilweite WZ1, WT1, WZ0, WT2, WZ2 zugewiesen, die in Richtung der Kanalweite W gemessen wird.
Dieser Darstellung entsprechend zeigen die 3b und 3c die erfindungsgemäße Statorschaufel mit Lagerung im Gehäuse "SG" und die erfindungsgemäße Statorschaufel mit Lagerung in der Nabe "SN".
Die 3d zeigt tabellarisch die erfindungsgemäße Zuordnung der drei Schaufelzonen Z1, Z0, Z2 und der im folgenden (6b–d) spezifizierten Skelettlinientypen PM und PR. So ist beispielsweise für die Schaufelkonfiguration "SGN" der Typ PR in Zone Z1, der Typ PM in Zone Z0 und der Typ PR in Zone Z2 vorgesehen. Frei gestaltbar ist die Zone Z1 im Fall der Schaufelkonfiguration "SG" sowie die Zone Z2 im Fall der Schaufelkonfiguration "SN" aufgrund des dort am jeweiligen Schaufelende fehlenden Drehtellers.
PM – Profilskelettlinientyp für die Schaufelmittelzone,
PR – Profilskelettlinientyp für die Schaufelrandzone.
Die 4 zeigt die Definition des Höhenseitenverhältnisses, das für die Bestimmung der jeweiligen Zonenweiten maßgebend ist. In der unteren rechten Bildhälfte ist eine Schaufelkonfiguration mit einer Anzahl von Meridianstromlinien skizziert. Die mittlere Stromlinie gibt zunächst bei Halbierung der Strecke zwischen Vorder- und Hinterkante die Position für die Bestimmung der Gesamtschaufelhöhe H vor (Punkt G). Die Höhe H wird entlang einer im Punkt G senkrecht auf der mittleren Stromlinie stehenden Geraden bestimmt. Weiterhin sind fünf Stromlinien bei 10%, 30%, 50%, 70% und 90% der Kanalweite W vorgegeben (SL10, SL30, SL50, SL70, SL90), entlang denen die jeweilige Sehnenlänge L zu bestimmen ist. Die Definition von L ist für eine beliebige Meridianstromfläche (u-m-Ebene) in der linken oberen Bildhälfte dargestellt. Die sich bei xy% der Kanalweite ergebende Sehnenlänge wird hier und in den Formeln der 4 mit LSLxy bezeichnet. Das Höhenseitenverhältnis ist schließlich wie folgt zu bestimmen: HSV= 5·H/(LSL10+LSL30+LSL50+LSL70+LSL90)
Die Zonenweiten werden in Abhängigkeit des Höhenseitenverhältnisses in relativer Form (bezogen auf die Gesamtkanalweite W nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt: WZ1/W = WZ2/W = (0,06·HSV0,65)/HSV WT1/W = WT2/W = (0,30·HSV0,80)/HSV WZ0/W = 1 – WZ1/W – WT1/W – WZT2/W – WZ2/W
Die 5 zeigt die Definition der Drehachsenposition, die mitbestimmend ist für den erfindungsgemäß vorzusehenden Profilskelettlinientyp PR. Das Bild zeigt schematisch den Stromlinienschnitt durch die verstellbare Statorschaufel bei 5% beziehungsweise 95% Kanalweite. Gezeigt ist der Durchstoßpunkt der Drehachse in der Ebene des Stromlinienschnitts, Punkt D. Dieser Punkt muss nicht zwingend, wie hier dargestellt, innerhalb des Profils liegen. Die gesamte Profilsehnenlänge beträgt L. Festgelegt durch das senkrechte Lot des Punktes D auf die Profilsehne, erhält man den in gleicher Richtung gemessenen Abstand d der Drehachse von der Vorderkante. Die relative Lage der Drehachse in Richtung der Profilsehne wird mit d* = d/L bezeichnet.
Der jeweilige Skelettlinientyp wird in relativer Darstellung mit Hilfe des bezogenen Neigungswinkels α* und der bezogenen Lauflänge s* festgelegt, siehe 6a. Das Bild zeigt einen Stromlinienprofilschnitt der Schaufel auf einer Meridianstromfläche (u-m-Ebene).
Dazu werden in allen Punkten der Skelettlinie der Neigungswinkel αP und die bis dorthin zurückgelegte Lauflänge sP bestimmt. Als Bezugsgrößen werden die Neigungswinkel an Vorder- und Hinterkante α1 und α2 sowie die Gesamtlauflänge der Skelettlinie S verwendet. Es gilt: α* = (α1 – αP)/(α1 – α2) und s* = sP/S.
Die 6b zeigt in der bekannten relativen Darstellung die Definition des Skelettlinientyps "PM". Erfindungsgemäße Skelettlinienverläufe befinden sich oberhalb einer Grenzlinie. Skelettlinienverläufe im Ausschlussgebiet unterhalb und auf der Grenzlinie sind nicht erfindungsgemäß. Die Grenzlinie für den Skelettlinientyp "PM" ist durch die folgende Definition gegeben: α* = –3,8512520965(s*)6 + 14,6764714420 (s*)5 – 21,6808727924(s*)4 + 16,3850592743(s*)3 – 6,9703863077(s*)2 + 2,4431236235(s*) – 0,0060854622
Beispielhaft ist eine erfindungsgemäß für den Block in Schaufelmitte vorsehbare Skelettlinienverteilung eingezeichnet. Die 6c und 6d zeigen in der bekannten relativen Darstellung die Definition des Skelettlinientyps "PR" für die Drehachsenpositionen d* = 0,3 und d* = 0,5. Erfindungsgemäße Skelettlinienverläufe befinden sich unter der durchgehenden oberen Grenzlinie und verlaufen über der in einem bestimmten Intervall gegebenen unteren Grenzlinie. Skelettlinienverläufe im Ausschlussgebiet oberhalb und auf der oberen Grenzlinie sind nicht erfindungsgemäß. Skelettlinienverläufe unterhalb oder auf der unteren Grenzlinie sind ebenfalls nicht erfindungsgemäß.
In Abhängigkeit der relativen Drehachsenpositionen d* sind die Grenzlinien für den Skelettlinientyp "PR" durch folgende Definitionen gegeben:
Obere Grenzlinie für d* = 0,3: α* = –15,1441661664(s*)6 + 52,8168915277(s*)5 – 67,2135203453(s*)9 + 35,9670881201(s*)3 – 6,8146566070(s*)2 + 1,3350483823(s*) + 0,0535731815
Obere Grenzlinie für d* = 0,5: α* = 3,6478453237(s*)6 – 5,6044881912 (s*)5 – 5,3211690262 (s*)4 + 11,7583720270(s*)3 – 4,3361971934(s*)2 + 0,8062070974(s*) + 0,0502599068
Für Drehachsenpositionen d* ungleich 0,3 und 0,5 ist bei der Bestimmung der Werte von α* linear zwischen denen für d* = 0,3 und d* = 0,5 zu interpolieren: α* (d*) = α* (d* = 0,5) + [α* (d* = 0,3) – α* (d* = 0,5) ]·[0,5 – d*]/0,2
Untere Grenze: α* = 2,0(s*) – 2d*
Gültig im Intervall von s*: (d* + 0,1; d* + 0,3) Beispielhaft ist in 6c und 6d je eine erfindungsgemäß für den Schaufelrandblock vorsehbare Skelettlinienverteilung eingezeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Schaufel für Strömungsarbeitsmaschinen wie Bläser, Verdichter, Pumpen und Ventilatoren wird eine Randströmungsbeeinflussung erzielt, die bei gleicher Stabilität den Wirkungsgrad einer jeden Stufe um etwa 1% erhöhen kann. Zudem ist eine Reduzierung der Schaufelzahlen von bis zu 20% möglich. Das erfindungsgemäße Konzept ist bei unterschiedlichen Arten von Strömungsarbeitsmaschinen anwendbar und führt je nach Ausnutzungsgrad des Konzeptes zu Reduktionen der Kosten und des Gewichts für die Strömungsarbeitsmaschine von 2% bis 10%. Hinzu kommt eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Strömungsarbeitsmaschine, je nach Anwendungsfall, von bis zu 1,5%.

Claims

Strömungsarbeitsmaschinenverstell-Stator mit einer Profilskelettlinie, welche sich längs einer Meridianstromlinie erstreckt, wobei der Stator in radialer Richtung in mindestens drei Zonen (Z0, Z1, Z2) unterteilt ist und wobei innerhalb einer jeden der drei Zonen vom jeweils radial inneren bis zum radial äußeren Rand die Profilskelettlinien jeder Zone (Z0, Z1, Z2) so ausgebildet ist, dass diese folgenden Gleichungen genügen:
wobei – P ein beliebiger Punkt der Profilskelettlinie, – α₁ der Neigungswinkel an der Stator-Vorderkante, – α₂ der Neigungswinkel an der Stator-Hinterkante, – α* der dimensionslose, bezogene Winkel der Gesamtwölbung, – S* die dimensionslose, bezogene Lauflänge, – α_P der Winkel der Tangente an einem beliebigen Punkt P der Profilskelettlinie zur mittleren Meridianstromlinie, – S_P die Lauflänge der Profilskelettlinie an einem beliebigen Punkt P, und – S die Gesamtlauflänge der Profilskelettlinie sind.
Stator nach Anspruch 1 mit einer Profilskelettlinie (PM) für eine Zone des Stators im Schaufelmittenbereich, welche gemäß folgender Gleichung ausgebildet ist: α* = –3,8512520965(s*)6 + 14,6764714420 (s*)5 – 21,6808727924(s*)4 + 16,3850592743(s*)3 – 6,9703863077(s*)2 + 2,4431236235(s*) – 0,0060854622
Stator nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Profilskelettlinie (PR) an dessen festem Ende für eine relative Drehachsenposition d* = 0,3, welche gemäß folgender Gleichung ausgebildet ist: α* = –15,1441661664(s*)6 + 52,8168915277(s*)5 – 67,2135203453(s*)9 + 35,9670881201(s*)3 – 6,8146566070(s*)2 + 1,3350483823(s*) + 0,0535731815
Stator nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Profilskelettlinie (PR) an dessen festem Ende für eine relative Drehachsenposition d* = 0,5, welche gemäß folgender Gleichung ausgebildet ist: α* = 3,6478453237(s*)6 – 5,6044881912 (s*)5 – 5,3211690262 (s*)4 + 11,7583720270(s*)3 – 4,3361971934(s*)2 + 0,8062070974(s*) + 0,0502599068
Stator nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Profilskelettlinie (PR) für eine relative Drehachsenposition d* ungleich 0,3 und 0,5, welche gemäß folgender Gleichung ausgebildet ist: α* (d*) = α* (d* = 0,5) + [α* (d* = 0,3) – α* (d* = 0,5) ]·[0,5 – d*]/0,2
Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Höhenseitenverhältnis (HSV) sich nach folgender Gleichung bestimmt: HSV= 5·H/(LSL10+LSL30+LSL50+LSL70+LSL90)wobei – H die Höhe entlang einer in einem Punkt G senkrecht auf einer mittleren Stromlinie stehenden Geraden, – L die Länge der Profilsehne, und – die einzelnen Längen L der Profilsehnen für fünf Stromlinien bei 10 %, 30 %, 50 %, 70 % und 90 % einer Weite W des Strömungskanals sind.
Stator nach Anspruch 6, wobei Zonenweiten in Abhängigkeit des Höhenseitenverhältnisses (HSV) in relativer Form, bezogen auf eine Gesamtkanalweite (W) nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt werden: WZ1/W = WZ2/W = (0,06·HSV0,65)/HSV WT1/W = WT2/W = (0,30·HSV0,80)/HSV WZ0/W = 1 – WZ1/W – WT1/W – WZT2/W – WZ2/Wwobei – W die Kanalweite, – WZ1 die Kanalweite in einer Zone 1, – WZ2 die Kanalweite in einer Zone 2, – WZ0 die Kanalweite in einer mittleren Zone, – WT1 die Kanalweite in einem Übergangsbereich zwischen der Zone Z1 und der Zone Z0, und – WT2 die Kanalweite in einem Übergangsbereich zwischen der Zone Z0 und Z2 sind.