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DE102006058415A1 - Flow machine, especially turbo-power plant for jet aircraft, has rotor blades with front edge on inflow side having curved shape - Google Patents

Flow machine, especially turbo-power plant for jet aircraft, has rotor blades with front edge on inflow side having curved shape Download PDF

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rotor
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Eberhard Nicke
Christian Voss
Burak Kaplan
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Abstract

A flow machine has a bladed rotor rotating in a flow channel, and has a hub body (12) with mutually overlapping rotor blades (15), in which the rotor blades have a front edge (30) on the inflow side with a curved shape extending from the hub body (12) up to the outer end. The front edge (30) has a constant curve with at least three extremes forming alternate maxima and minima.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine, insbesondere Turbotriebwerk, mit einem in einem Strömungskanal rotierenden angetriebenen Fan-Rotor, der einen Nabenkörper und davon abstehende, einander überlappende Rotorschaufeln aufweist, wobei die Rotorschaufeln auf der Anströmseite Vorderkanten mit vom Nabenkörper bis zum äußeren Ende kurvenförmigem Verlauf haben.The Invention relates to a turbomachine, in particular turbo engine, with one in a flow channel rotating driven fan rotor, which has a hub body and protruding from each other, overlapping Rotor blades, wherein the rotor blades on the upstream side leading edges with the hub body to the outer end curved course to have.

Moderne Flugtriebwerke, wie sie beispielsweise in US 2005/0241291 A1 beschrieben sind, haben einen einströmseitigen Fan-Rotor, der zusammen mit einem Nabenkörper rotiert. Hinter dem Fan-Rotor kann ein rückwärtiger zweiter Fan-Rotor angeordnet sein, der gegenläufig zu dem ersten Fan-Rotor angetrieben ist. Die Fan-Rotoren sind Bestandteil einer Verdichterstufe, welche die einströmende Luft verdichtet und den größten Teil der Luft durch einen Bypass als schuberzeugenden Luftstrahl nach hinten ausschiebt. Der innere Anteil der Luft wird dem Kerntriebwerk (Core) zugeführt. Dort wird die Luft in einem Hochdruckverdichter weiter verdichtet und einer Brennkammer zugeführt. Der Fan-Rotor und die Hochdruckverdichter werden durch Turbinen mit Hilfe von zwei oder drei Hohlwellen angetrieben. Die Drehzahl des Fan-Rotors richtet sich nach der maximalen Schaufelspitzengeschwindigkeit.Modern aircraft engines, such as those in US 2005/0241291 A1 described have an upstream fan rotor which rotates together with a hub body. Behind the fan rotor, a rearward second fan rotor may be arranged, which is driven in opposite directions to the first fan rotor. The fan rotors are part of a compressor stage, which compresses the incoming air and pushes most of the air through a bypass as a thrust-generating air jet to the rear. The inner part of the air is fed to the core engine (Core). There, the air is further compressed in a high-pressure compressor and fed to a combustion chamber. The fan rotor and the high-pressure compressor are driven by turbines with the help of two or three hollow shafts. The speed of the fan rotor depends on the maximum blade tip speed.

Bei einem Gebläserotor mit sich in Frontansicht überlappenden Rotorschaufeln ist der Verlauf der Vorderkanten der Rotorschaufeln ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Leistungsdichte, des Wirkungsgrades und/oder für die Lärmreduzierung. Ein Beispiel für den Verlauf der Vorderkanten eines Fan-Rotors ist in US 2004/0170502 A1 beschrieben. Hierbei sind die Vorderkanten nach außen ausgebaucht. Sie haben einen linearen Innenbereich und einen linearen Außenbereich, die durch eine bogenförmige Krümmung verbunden sind.In a fan rotor with rotor blades overlapping in front view, the course of the leading edges of the rotor blades is an essential factor for increasing the power density, the efficiency and / or the noise reduction. An example of the course of the leading edges of a fan rotor is in US 2004/0170502 A1 described. Here, the leading edges are bulged outward. They have a linear inner area and a linear outer area, which are connected by an arcuate curvature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotorschaufelform für ein Turbotriebwerk zu schaffen, die durch Verringerung der Stoßverluste der Luft einen erhöhten Wirkungsgrad bietet.Of the Invention is based on the object, a rotor blade shape for a turbo engine to create, by reducing the impact losses of air increased efficiency offers.

Das erfindungsgemäße Turbotriebwerk ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach weisen die Vorderkanten eine stetige Kurve mit mindestens drei abwechselnd Maxima und Minima bildenden Extrema auf. Durch die wellenförmige Gestalt der Vorderkante werden an den Einbeulungen die Verdichtungsstöße vermindert. Die Strömung wird so beeinflusst, dass die Stoßverluste in der Passage zwischen den Rotorschaufeln minimiert werden. Hierdurch wird eine Steigerung des Wirkungsgrades bewirkt, ohne dass eine Verringerung des Massenstromes erfolgt. Der erzeugte Schub bleibt von der Erhöhung des Wirkungsgrades unbeeinflusst.The Turbo engine according to the invention is defined by the patent claim 1. Hereinafter, the leading edges point a continuous curve with at least three alternating maxima and minima forming extremes. Due to the wavy shape of the front edge At the dentures the compression shocks are reduced. The flow is so influenced that the shock losses be minimized in the passage between the rotor blades. hereby an increase in efficiency is effected without a reduction the mass flow takes place. The generated thrust remains from the increase of the Efficiency unaffected.

Unter einem Extremum oder Extremwert ist im Rahmen der Erfindung ein vorstehender Bereich nach Art eines Buckels zu verstehen, oder ein zurückstehender Bereich in Form eines Tales. Eine plötzlich abbrechende vorstehende Spitze stellt kein Extremum dar und wird bei der Bestimmung der Anzahl der Extrema nicht mitgezählt.Under An extremum or extreme value is a projecting one within the scope of the invention To understand area in the manner of a hump, or a receding Area in the form of a valley. A sudden erupting protruding Tip is not an extremum and is used in the determination of Number of extremes not counted.

Falls drei Extrema vorhanden sind, können diese von innen nach außen ein Maximum, ein Minimum und wiederum ein Maximum aufweisen. Vorzugsweise bildet der innerste Extremwert ein Maximum. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, innen mit einem Minimum zu beginnen.If three extremes are present, these can from the inside to the outside have a maximum, a minimum and again a maximum. Preferably the innermost extreme value forms a maximum. Basically but it is also possible to start with a minimum inside.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Vorderkanten eine Doppel-S-Kurve mit mindestens vier Extrema. Hierbei dient die Form des Buchstabens "S" nur zur grundsätzlichen Charakterisierung zweier benachbarter Extrema. Unter die Definition des "S" soll auch der spiegelbildliche Verlauf fallen, wie er bei einem Fragezeichen vorliegt. Wichtig ist, dass gegenläufige Extrema einander abwechseln.According to one preferred embodiment of Invention, the leading edges form a double S-curve with at least four extremes. Here, the shape of the letter "S" is only for basic characterization two adjacent extremes. Under the definition of the "S" also the mirror-image course should fall, as it is with a question mark. It's important, that opposing Extrema alternate.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Abstände zwischen den Extrema von innen nach außen abnehmen.Preferably is provided that the distances between the extremes from the inside out.

Ferner können die Höhen der Extrema von innen nach außen abnehmen.Further can the heights the extremes from the inside out lose weight.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.in the An embodiment will be described below with reference to the drawings closer to the invention explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Turbotriebwerk eines Düsenflugzeugs und 1 a schematic longitudinal section through a turbo engine of a jet aircraft and

2 eine detailliertere Darstellung der Schaufelform. 2 a more detailed representation of the blade shape.

In 1 ist ein Turbotriebwerk dargestellt, das in seinem Grundaufbau demjenigen von DE 39 33 776 C2 entspricht.In 1 is shown a turbo engine, which in its basic structure that of DE 39 33 776 C2 equivalent.

Das Turbotriebwerk weist ein ringförmiges Gehäuse 10 auf, das einen Strömungskanal 11 umschließt. Im Strömungskanal ist ein Nabenkörper 12 koaxial angeordnet, der drehfest mit einer Welle 13 verbunden ist und einen Fan-Rotor 14 mit zahlreichen Rotorschaufeln 15 trägt, die von dem Nabenkörper 12 abstehen und bis an die Wand des Gehäuses 10 reichen. Der Fan-Rotor 14 beschleunigt die einströmende Luft und treibt sie in den Hauptstromweg 16 und einen Bypassweg 17. Beide Strömungswege werden durch ein rotorförmiges Triebwerksgehäuse 18 getrennt, wobei der Hauptstromweg 16 innen und der Bypassweg außen verläuft. Von dem Triebwerksgehäuse 18 erstrecken sich radiale Streben 19 zu dem Gehäuse 10, um das Gehäuse koaxial zu dem Triebwerksgehäuse zu fixieren. Im Inneren des Triebwerksgehäuses 18 ist ein Lagergehäuse 20 an Streben 21 befestigt. Das Lagergehäuse 20 bildet die innere Begrenzung des ringförmigen Hauptstromweges 16. Das Lagergehäuse 20 lagert die drehbare Welle 13, an deren vorderem Ende der Nabenkörper 12 angebracht ist.The turbo engine has an annular housing 10 on, a flow channel 11 encloses. In the flow channel is a hub body 12 Coaxially arranged, the rotation with a shaft 13 connected and a fan rotor 14 with numerous rotor blades 15 carries that from the hub body 12 stand up and up to the wall of the housing 10 pass. The fan rotor 14 accelerates the incoming air and drives it into the main flow path 16 and a bypass path 17 , Both flow paths are through a rotor-shaped engine housing 18 separated, with the main flow path 16 in and the bypass path runs on the outside. From the engine case 18 extend radial struts 19 to the housing 10 to fix the housing coaxially with the engine housing. Inside the engine case 18 is a bearing housing 20 on striving 21 attached. The bearing housing 20 forms the inner boundary of the annular main flow path 16 , The bearing housing 20 stores the rotatable shaft 13 , at the front end of the hub body 12 is appropriate.

Das Triebwerksgehäuse 18 umschließt das Kerntriebwerk (Core) 22. Das Kerntriebwerk enthält einen Hochdruckverdichter 23 mit im Hauptstromweg 16 rotierenden Schaufeln 24, die an einer angetriebenen Hilfswelle 25 angebracht sind, einer den Hochdruckverdichterstufen nachgeordneten Brennkammer 26, einer ersten Turbine 27a und einer zweiten Turbine 27b. Die Turbine 27a weist Schaufeln 28a im Hauptstromweg auf. Diese sind an der Hilfswelle 25 befestigt und werden von den die Brennkammer 26 verlassenden Gasen angetrieben. Die stromab von der ersten Turbine 27a angeordnete zweite Turbine 27b mit Schaufeln 28 treibt die Welle 13 an. Dieser generelle Aufbau eines Turbotriebwerks – hier in zweiwelliger Bauweise – ist bekannt.The engine case 18 encloses the core engine (Core) 22 , The core engine contains a high pressure compressor 23 with in the main flow path 16 rotating blades 24 connected to a driven auxiliary shaft 25 are mounted, a high-pressure compressor stages downstream combustion chamber 26 , a first turbine 27a and a second turbine 27b , The turbine 27a has shovels 28a in the main flow path. These are on the auxiliary shaft 25 Attached and used by the combustion chamber 26 driven gases leaving. The downstream of the first turbine 27a arranged second turbine 27b with shovels 28 drives the wave 13 at. This general structure of a turbo engine - here in two-shaft design - is known.

Die Schaufeln 15 sind fächerförmig an dem Nabenkörper 12 angeordnet, wobei sie einen Anstellwinkel in Bezug auf die Längsachse des Nabenkörpers haben.The shovels 15 are fan-shaped on the hub body 12 arranged, wherein they have an angle of attack with respect to the longitudinal axis of the hub body.

Erfindungsgemäß ist die Vorderkante 30, die stromauf angeordnet ist, in besonderer Weise konturiert. Sie weist, ausgehend vom Nabenkörper 12, mehrere abwechselnd angeordnete Maxima und Minima auf, die generell mit dem Oberbegriff "Extrema" bezeichnet werden. Ausgehend vom Nabenkörper 12 ist zunächst eine konvexe Zone 32 mit einem Maximum 33 vorhanden, gefolgt von einer konkaven (zurückstehenden) Zone 34 mit einem Minimum 35. Es folgt dann wieder eine konvexe Zone 36 mit einem Maximum 37 und schließlich eine konkave Zone 38 mit einem Minimum 39. Die Vorderkante 30 bildet eine stetige Kurve ohne Sprünge und Knickstellen.According to the invention, the front edge 30 , which is arranged upstream, contoured in a special way. It points, starting from the hub body 12 , several alternately arranged maxima and minima, which are generally referred to by the generic term "extrema". Starting from the hub body 12 is initially a convex zone 32 with a maximum 33 present, followed by a concave (receding) zone 34 with a minimum 35 , It then follows again a convex zone 36 with a maximum 37 and finally a concave zone 38 with a minimum 39 , The leading edge 30 Forms a steady curve without cracks and kinks.

2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Schaufel 15, wobei die Strömungsrichtung durch einen Pfeil 40 bezeichnet ist. An der Vorderkante 30 der Schaufel 15 sind die Extrema 33, 35, 37, 39 erkennbar. Die Schaufelkontur beginnt innen mit dem Maximum 33 und endet außen mit dem Minimum 39. Der Abstand zwischen den Extrema wird. von innen nach außen geringer. Auch die Höhen der Extrema werden von innen nach außen kleiner. 2 shows a more detailed representation of the blade 15 , wherein the flow direction by an arrow 40 is designated. At the front edge 30 the shovel 15 are the extremes 33 . 35 . 37 . 39 recognizable. The blade contour starts in with the maximum 33 and ends outside with the minimum 39 , The distance between the extremes becomes. lower from the inside out. The heights of the extremes also become smaller from the inside out.

Die Anzahl der Extrema kann von der des vorliegenden Ausführungsbeispiels abweichen. Wichtig ist, dass mindestens drei Extrema vorhanden sind.The Number of extremes can be different from that of the present embodiment differ. It is important that there are at least three extremes.

Das äußere Ende 41 der Schaufellänge kann gebogen sein, so dass eine sich der Krümmung des Gehäuses 10 annähernde Außenkante entsteht. Diese wird jedoch den Extrema nicht zugeordnet.The outer end 41 the blade length can be bent so that the curvature of the housing 10 approximate outer edge is created. However, this is not assigned to the extrema.

In den Passagen zwischen den Schaufeln treten infolge der, aus radialer Richtung betrachtet, gebogenen Schaufelform Verzögerungen an den Einbeulungen auf. Diese Verzögerungen bewirken Verdichtungsstöße. Durch die beschriebene Ausbildung der Vorderkante 30 wird die Luftströmung so beeinflusst, dass die Stoßverluste in der Passage zwischen zwei Schaufeln minimiert werden. Der Wirkungsgrad des Turbotriebwerks wird erhöht, ohne dass eine Verringerung des Massenstromes erfolgt. Der Schub bleibt durch diese Maßnahme unbeeinflusst.In the passages between the blades occur due to the, viewed from the radial direction, curved blade shape delays in the dentures. These delays cause compression shocks. By the described design of the leading edge 30 the air flow is influenced so that the impact losses in the passage between two blades are minimized. The efficiency of the turbo engine is increased without a reduction of the mass flow occurs. The thrust remains unaffected by this measure.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Schaufelform anhand des Fan-Rotors 14 beschrieben. Diese Schaufelform könnte auch in der Frontstufe des Hochdruckverdichters 23 angewendet werden. Die Erfindung ist aber nicht auf Turbotriebwerke beschränkt. Sie kann auch bei stationären Gasturbinen eingesetzt werden.In the present embodiment, the blade shape was based on the fan rotor 14 described. This blade shape could also be in the front stage of the high pressure compressor 23 be applied. The invention is not limited to turbo engines. It can also be used in stationary gas turbines.

Claims (4)

Strömungsmaschine, insbesondere Turbotriebwerk, mit einem in einem Strömungskanal rotierenden Schaufelrotor, der einen Nabenkörper (12) und davon abstehende, einander überlappende Rotorschaufeln (15) aufweist, wobei die Rotorschaufeln auf der Anströmseite eine Vorderkante (30) mit vom Nabenkörper (12) bis zum äußeren Ende kurvenförmigem Verlauf haben, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (30) eine stetige Kurve mit mindestens drei abwechselnd Maxima und Minima bildenden Extrema aufweist.Turbomachine, in particular a turbo-engine, with a rotor rotating in a flow channel paddle rotor, a hub body ( 12 ) and projecting, overlapping rotor blades ( 15 ), wherein the rotor blades on the upstream side of a leading edge ( 30 ) with the hub body ( 12 ) to the outer end have a curved course, characterized in that the front edge ( 30 ) has a continuous curve with at least three alternating maxima and minima forming extremes. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderkante (30) eine Doppel-S-Kurve mit mindestens vier Extrema (33, 35, 37, 39) bildet.Turbomachine according to claim 1, characterized in that the front edge ( 30 ) a double S-curve with at least four extrema ( 33 . 35 . 37 . 39 ). Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Extrema (33, 35, 37, 39) von innen nach außen abnehmen.Turbomachine according to claim 1 or 2, characterized in that the distances between the extrema ( 33 . 35 . 37 . 39 ) from inside to outside. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen der Extrema von innen nach außen abnehmen.flow machine according to one of the claims 1-3, characterized in that the heights of the extremes from the inside to Outside lose weight.
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