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WO2005106207A1 - Verdichterschaufel und verdichter - Google Patents

Verdichterschaufel und verdichter Download PDF

Info

Publication number
WO2005106207A1
WO2005106207A1 PCT/EP2005/051534 EP2005051534W WO2005106207A1 WO 2005106207 A1 WO2005106207 A1 WO 2005106207A1 EP 2005051534 W EP2005051534 W EP 2005051534W WO 2005106207 A1 WO2005106207 A1 WO 2005106207A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade
profile
compressor
tip
platform
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/051534
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard MÖNIG
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2005106207A1 publication Critical patent/WO2005106207A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations

Definitions

  • the invention relates to a compressor blade with a blade root, a platform and a free-standing blade profile with a profile tip, according to the preamble of claim 1 and a compressor according to claim 7.
  • Free-standing guide vanes and rotor blades of an axial compressor are known.
  • the compressor blades are arranged in rings in the compressor and each have a blade profile which is arranged in the flow channel of the compressor.
  • each free end of the blade profile has a profile tip, on the end face of which a sealing lip is formed, which extends from a leading edge to a trailing edge of the blade profile.
  • the sealing lip serves to reduce a radial gap which is formed between the profile tip of the compressor blade and a component opposite this profile tip and through which lossy leakage of the flow medium of the compressor takes place.
  • Compressor e.g. a guide ring, which delimits the flow channel radially on the outside.
  • the rotor is the component which lies opposite the profile tip of a guide vane and which delimits the radial gap and thus the flow channel radially on the inside.
  • JP 60-184905 discloses a moving blade with a projecting collar which is arranged on the pressure side of the blade on the head side.
  • EP 1 225 303 A2 describes a turbine rotor blade with a blade tip that is enlarged in the axial direction Known to reduce the pressure drop on the turbine side. Because the rotor blade tip is substantially enlarged in the axial direction, the adjacent guide blades have a profile taper in the region near the platform, that is to say radially on the outside, which is proportional to the widening.
  • JP 2002-48095 shows a turbine blade with a profile cross section enlarged in the profile region near the tip, compared to its central profile region.
  • the enlargement particularly affects the leading edge.
  • the first-mentioned object is achieved by a compressor blade according to claim 1 and the object directed to the compressor is achieved by the features of claim 7.
  • the solution to the first-mentioned problem suggests that in the longitudinal section through the free-standing, i.e. Compressor blades without a shroud
  • the invention proposes a blade profile that widens in the direction of the profile tip between the suction side surface and the pressure side surface. This causes obtuse angles between the pressure side surface or the suction side surface and a surface of a flow channel boundary that is essentially perpendicular to the blade axis.
  • the Flow channel limitation can be formed by a guide ring or a circumferential surface of a rotor.
  • the side surfaces of the tip-close profile areas which are inclined also lead to a reduction in flow separation in the area of the blade inter-edge in the tip-close profile area, which consequently leads to a considerable aerodynamic improvement and thus to reduced flow losses.
  • the thickness of the leading edge and the trailing edge remain essentially unchanged in the profile area close to the point compared to the middle and platform-close profile areas.
  • the compressor blade is particularly advantageously provided with a continuous widening. This course, which is not graded in longitudinal section, requires particularly good flow behavior and low disturbances in the flow medium.
  • the expansion is expediently arranged on both sides, starting from the central profile region.
  • the profile tip has an end face in which at least one recess is provided, which is elongated between the front edge of the blade and the rear edge of the blade.
  • the blade side walls, which form the side surfaces, thus form sealing lips on the profile tip, which guide the leakage flow over the Reduce the profile tip.
  • the leakage flow in the recess which cannot be completely avoided, causes swirling, which in the manner of a labyrinth seal produces a sealing effect and thus limits the leakage flow to a smaller extent.
  • the blade profile have a profile height in the direction of the blade axis between the platform surface and the profile tip, and that the profile regions close to the tip are spaced from the platform by at least 85% of the profile height.
  • the processing takes place only in the outermost area of the profile tip.
  • the present invention is suitable for both compressor blades designed as a rotor blade and for a guide blade.
  • a compressor according to the invention has compressor blades according to one of claims 1 to 4.
  • FIG. 1 is a perspective view of a compressor blade as a moving blade
  • Fig. 2 is a profile tip of a Laufschaufei and one of the profile tip opposite housing inner wall in longitudinal section and
  • Fig. 3 shows a profile tip of a guide vane and a rotor section opposite the profile tip in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a compressor blade 1 as a rotor blade 3.
  • the rotor blade 3 has a blade axis 5 which corresponds to the radial direction of a rotor 6 or a rotor shaft of the compressor (not shown).
  • the blade root 7 is followed by the platform 9.
  • a blade profile 13 is arranged on the surface 11 of the platform 9 and has a profile tip 15 at its end facing away from the platform 9.
  • the blade profile 13 comprises a blade leading edge 17 and a blade trailing edge 19, between which a pressure-side blade side wall 20 and a suction-side blade side wall 22 opposite the pressure-side 'blade side wall 20 extend.
  • the surfaces of the blade side walls 20, 22 which are exposed to the flow medium form a pressure side surface 21 and a suction side surface 23.
  • the blade profile 13 along the blade axis 5 has a profile height 25 which extends between the surface 11 of the platform 9 and the profile tip 15. Along the blade axis 5, the blade profile 13 continuously merges from profile areas 27 near the platform via central profile areas 29 into profile areas 31 close to the tip. The distance of the
  • Blade leading edge 17 to blade trailing edge 19 is shown as blade width 26.
  • the intersection lines 32 of the suction side surface 23 and the pressure side surface 21 with an imaginary plane perpendicular to the blade axis 5 enclose a profile cross section 33 which is shown in dashed lines in the central profile region 29 and in the profile region 27 near the platform
  • the profile cross-sections 33 are approximately identical in shape, size and curvature for the middle and for the platform-near profile area 27, 29.
  • the profile cross section increases continuously and not in stages in comparison to that of the middle and platform-close profile regions.
  • the distance A of the cutting lines 32 which forms the imaginary plane with the pressure side surface 21 and the suction side surface 23, increases, so that a widening of the profile cross section 34 in the near-pointed direction Profile area 31 is present.
  • the profile tip 15 has a profile cross section 35 which is enlarged compared to the profile cross sections 33, 34.
  • the blade profile 13 has no or only a slight widening in the profile area 31 near the tip in the area of the blade leading edge 17 (compared to the middle or platform-like profile areas 27, 29), which increases in the direction of flow of the flow medium up to a center 28 of the blade width 26 and in further course to the blade trailing edge 19 decreases again.
  • the trailing edge of the blade 19 of the profile region 31 close to the tip is also virtually unchanged in longitudinal section compared to the trailing edge 19 of the middle or the profile region 27, 29 near the platform.
  • the blade width 26 is provided with two elongate recesses 39, which are separated from one another by a partition 41 lying between them.
  • Fig. 2 shows partially one arranged on a rotor
  • Blade 3 of a compressor with a housing inner wall 43 in a longitudinal section.
  • the rotor blade 3 is only shown with its central profile region 29 and the profile region 31 close to the point.
  • the pressure side surface 21 and the suction side surface 23 widen the blade profile 13 in
  • the blade profile 13 bifurcates into a pressure-side sealing lip 36 and a suction-side sealing lip 38 in the profile region 31 near the tip in the direction of the profile tip 15.
  • Profile area 31 with the housing inner wall 43 makes an obtuse angle ⁇ and the suction side surface 23 in the profile section 31 close to the point with the housing inner wall 43 makes an obtuse angle ⁇ .
  • Pressure ratios are represented by plus and minus in Fig. 2.
  • a leakage flow 47 is caused by the different pressures, which flows through the radial gap 45 streams.
  • the leakage flow 47 creates swirls in the recesses 39 which limit the flow velocity of the leakage flow 47 and thus reduce the leakage.
  • the rotating rotor moves the rotor blade 3 in the direction R, so that in the profile region 31 near the tip, a radially acting component 49 pushes the flow medium to be compressed away from the radial gap 45 by the obliquely inclined pressure side surface 21. This further reduces the leakage flow 47.
  • the obtuse angle CC, ⁇ results in an aerodynamic improvement of the compressor blade 1, so that the flow in the area of the blade trailing edge 19 in the tip-close profile region 31 is less likely to detach or tear off.
  • FIG. 3 shows, like FIG. 2, a compressor blade 1 with an opposite radial flow limitation.
  • a guide blade 4 is shown in this case and, instead of the housing inner wall 43, the rotor 6 with its circumferential surface 8 is partially shown.
  • a radial component 49 is generated in the flow medium flowing around the blade profile 13, so that it is led away from the radial gap 45 and the leakage flow 47 is further reduced.
  • the radial component 4 is more pronounced in the area of the pressure side surface 21 than on the suction side surface 23.
  • a compressor blade 1 in the profile region 31 close to the tip can also be designed such that only on the pressure side (or on the suction side) does the corresponding side surface 21 (23) cause the blade profile 13 to widen, so that the opposite suction side surface 23 (or the pressure side surface) 21) strikes the surface delimiting the flow channel 10 at a perpendicular angle.
  • compressor blade 1 and the compressor are suitable for use in a gas turbine.
  • the invention can also be applied to free-standing blades of a turbine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichter­schaufel (1) mit einem Schaufelfuss (7), einer Plattform (9) und einem freitragenden Schaufelprofil (13) mit einer Profilspitze (15), die entlang einer Schaufelachse (5) aufeinander folgend angeordnet sind, wobei das Schaufel­profil (13) eine gekrümmte Saugseitenfläche (23) sowie eine der Saugseitenfläche (23) gegenüberliegende gekrümmte Druckseitenfläche (21) aufweist, wobei das Schaufelprofil (13) in Richtung der Schaufelachse (5) kontinuierlich ineinander übergehende plattformnahe, mittlere und spitzennahe Profilbereiche (27, 29, 31) aufweist. Um eine Verdichterschaufel (1) anzugeben, die bezüglich des Wirkungsgrades besonders gute Eigenschaften aufweist, wird vorgeschlagen, dass im Längsschnitt durch die Verdichterschaufel (1) der Abstand (A) der Druck­seitenfläche (21) zur Saugseitenfläche (23) in den spitzennahen Profil­bereichen (31) sich jeweils in Richtung der Profilspitze (15) vergrössert.

Description

Beschreibung
Verdichterschaufel und Verdichter
Die Erfindung betrifft eine Verdichterschaufel mit einem Schaufelfuß,- einer Plattform und einem freistehenden Schaufelprofil mit einer Profilspitze, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Verdichter gemäß Anspruch 7.
Freistehende Leitschaufeln und Laufschaufeln eines Axialverdichters sind bekannt. Die Verdichterschaufein sind in Kränzen im Verdichter angeordnet und weisen jeweils ein Schaufelprofil auf, welches im Strömungskanal des Verdichters angeordnet ist. Darüber hinaus weist jedes freie Ende des Schaufelprofils eine Profilspitze auf, an deren Stirnseite eine Dichtlippe angeformt ist, welche sich von einer Anströmkante zu einer Abströmkante des Schaufelprofils erstreckt. Die Dichtlippe dient zur Verkleinerung eines Radialspaltes, welcher zwischen der Profilspitze der Verdichterschaufel und einem dieser Profilspitze gegenüberliegendem Bauteil gebildet ist und durch den eine verlustbehaftete Leckage des Strömungsmediums des Verdichters stattfindet. Bei einer Laufschaufei ist der Radialspalt zwischen der Profilspitze und dem Innengehäuse des
Verdichters, z.B. einem Führungsring, gebildet, welcher den Strömungskanal radial außen begrenzt. Dagegen ist der Rotor das Bauteil, welches der Profilspitze einer Leitschaufel gegenüberliegt und welches den Radialspalt und damit radial innen den Strömungskanal begrenzt.
Um die Leckageströme über die Schaufelspitze hinweg zu minimieren, ist aus der JP 60-184905 eine Laufschaufel mit einem vorSprungartigen Kragen bekannt, der auf der Druckseite der Schaufel kopfseitig angeordnet ist.
Zudem ist aus der EP 1 225 303 A2 eine Turbinenlaufschaufel mit einer in Axialrichtung vergrößerten Schaufelspitze bekannt, um den turbinenseitigen Druckverlust zu verkleinern. Aufgrund der im wesentlichen in Axialrichtung vergrößerten Laufschaufelspitze weisen die benachbarten Leitschaufel im plattformnahen, d.h. radial außen liegenden Bereich eine Profilverjüngung auf, die zu der Verbreiterung proportional ist.
Ferner zeigt die JP 2002-48095 eine Turbinenschaufel mit im spitznahen Profilbereich vergrößertem Profilquerschnitt, verglichen mit ihrem mittleren Profilbereich. Die
Vergrößerung betrifft dabei insbesondere die Anströmkante.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verdichterschaufel anzugeben, welche die Spitzenspaltverluste im Strömungsmedium reduziert und somit zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verdichters führt. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines entsprechend verbesserten Verdichters .
Die erstgenannte Aufgabe wird durch eine Verdichterschaufel gemäß Anspruch 1 und die auf den Verdichter gerichtete Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Die Lösung der erstgenannten Aufgabe schlägt vor, dass im Längsschnitt durch die freistehende, d.h. deckbandlose Verdichterschaufei der Abstand der Druckseitenfläche zur Saugseitenfläche der spitznahen Profilbereiche sich in Richtung der Profilspitze aufweitet, die Auf eitung nahe der Mitte der Schaufelbreite maximal ist und in Richtung der Schaufelvorderkante und Schaufelhinterkante abnimmt.
Mit der Erfindung wird ein sich in Richtung der Profilspitze zwischen Saugseitenfläche und Druckseitenfläche aufweitendes Schaufelprofil vorgeschlagen. Dies bedingt stumpfe Winkel zwischen der Druckseitenfläche bzw. der Saugseitenfläche und einer im Wesentlichen senkrecht zur Schaufelachse stehenden Oberfläche einer Strömungskanalbegrenzung. Die Strömungskanalbegrenzung kann durch einen Führungsring oder eine Umfangsflache eines Rotors gebildet sein.
Durch die Aufweitung wird beim Betrieb des Verdichters eine radiale Komponente der Strömung des Strömungsmediums erzeugt, welche diese Strömung vom Radialspalt wegbewegt. Hierdurch wird die verlustbehaftete Leckage der Strömung über die Profilspitze reduziert.
Die im Gegensatz zu den Seitenflächen der mittleren und plattformnahen Profilbereiche geneigten Seitenflächen der spitznahen Profilbereiche führen ferner dazu, dass eine Strömungsablösung im Bereich der Schaufel interkante im spitznahen Profilbereich reduziert wird, was folglich zu einer erheblichen aerodynamischen Verbesserung und somit zu reduzierten Strömungsverlusten führt.
Die Dicke der Vorderkante sowie die Hinterkante bleiben im spitznahen Profilbereich im Wesentlichen unverändert gegenüber den mittleren und plattformnahen Profilbereichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den ünteransprüchen angegeben.
Besonders vorteilhaft ist die Verdichterschaufel mit einer kontinuierlichen Aufweitung versehen. Dieser in Längsschnitt ungestufte Verlauf bedingt ein besonders gutes Strömungsverhalten und geringe Störungen im Strömungsmedium.
Zweckmäßigerweise ist die Aufweitung ausgehend vom mittleren Profilbereich beidseitig angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Profilspitze eine Stirnfläche auf, in der zumindest eine zwischen Schaufelvorderkante und Schaufelhinterkante langgestreckte Ausnehmung vorgesehen ist. Damit bilden die Schaufelseitenwände, welche die Seitenflächen formen, an der Profilspitze Dichtlippen, welche die Leckageströmung über die Profilspitze reduzieren. Ferner bewirkt die nicht völlig vermeidbare Leckageströmung in der Ausnehmung eine Verwirbelung, die nach Art einer Labyrinthdichtung eine Dichtwirkung hervorruft und somit die Leckageströmung auf ein geringeres Maß begrenzt.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, bei der mindestens zwei annähernd parallel verlaufende Ausnehmungen an der Stirnfläche vorgesehen sind, zwischen denen sich mindestens eine Trennwand erstreckt. Hierdurch wird erreicht, dass die zusätzlichen Trennwände als weitere Dichtlippe eine weitere Reduzierung der Spaltströmung und damit auch der Spaltverluste bewirken. Ferner entstehen in jeder Ausnehmung Verwirbelungen, die den Leckagestrom begrenzen. Darüber hinaus kann auf Grund der vergleichsweise dünn ausgeführten Profilspitze ein leichtes radiales Anstreifen an den gegenüberliegenden Bauteilen toleriert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Schaufelprofil eine Profilhöhe in Richtung der Schaufelachse zwischen der Plattformoberfläche und der Profilspitze aufweist, und dass die spitznahen'Profilbereiche von der Plattform in einem Abstand von mindestens 85% der Profilhöhe beabstandet sind. Somit erfolgt die Auf eitung lediglich im äußersten Bereich der Profilspitze.
Die vorliegende Erfindung eignet sich sowohl für als Laufschaufel als auch für Leitschaufel ausgebildete Verdichterschaufein.
Ein erfindungsgemäßer Verdichter weist Verdichterschaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auf.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Verdichterschaufel als Laufschaufel, Fig. 2 eine Profilspitze einer Laufschaufei und eine der Profilspitze gegenüberliegende Gehäuseinnenwand im Längsschnitt und
Fig. 3 eine Profilspitze einer Leitschaufel und einen der Profilspitze gegenüberliegenden Rotorabschnitt im Längsschnitt.
Verdichter und deren Arbeitsweisen sind allgemein bekannt. Fig. 1 zeigt eine Verdichterschaufei 1 als Laufschaufei 3. Die Laufschaufel 3 weist eine Schaufelachse 5 auf, die der Radialrichtung eines Rotors 6 bzw. einer Rotorwelle des Verdichters entspricht (nicht gezeigt) . Entlang der Schaufelachse 5 folgt dem Schaufelfuß 7 die Plattform 9. An der Oberfläche 11 der Plattform 9 ist ein Schaufelprofil 13 angeordnet, welches an seinem der Plattform 9 abgewandten Ende eine Profilspitze 15 aufweist.
Das Schaufelprofil 13 umfasst eine Schaufelvorderkante 17 und eine Schaufelhinterkante 19, zwischen denen sich eine druckseitige Schaufelseitenwand 20 und eine der druckseitigen' Schaufelseitenwand 20 gegenüberliegende saugseitige Schaufelseitenwand 22 erstreckt. Die dem Strömungsmedium ausgesetzten Oberflächen der Schaufelseitenwände 20, 22 bilden eine Druckseitenfläche 21 und eine Saugseitenfläche 23.
Ferner weist das Schaufelprofil 13 entlang der Schaufelachse 5 eine Profilhöhe 25 auf, die sich zwischen der Oberfläche 11 der Plattform 9 und der Profilspitze 15 erstreckt. Entlang der Schaufelachse 5 geht das Schaufelprofil 13 von plattformnahen Profilbereichen 27 über mittlere Profilbereiche 29 in spitznahe Profilbereiche 31 kontinuierlich ineinander über. Der Abstand der
Schaufelvorderkante 17 zur Schaufelhinterkante 19 ist als Schaufelbreite 26 gezeigt. Die Schnittlinien 32 der Saugseitenfläche 23 und der Druckseitenfläche 21 mit einer senkrecht zur Schaufelachse 5 stehenden gedachten Ebene umschließen einen Profilguerschnitt 33, welcher im mittleren Profilbereich 29 und im plattformnahen Profilbereich 27 in einer gestrichelten
Linienart gezeigt ist. Die Profilquerschnitte 33 sind dabei für den mittleren und für den plattformnahen Profilbereich 27, 29 annähernd identisch in Form, Größe und Krümmung.
Im spitznahen Profilbereich 31, welcher mindestens in einem Abstand von 85% der Profilhöhe 25 von der Oberfläche 11 der Plattform 9 beabstandet ist, vergrößert sich der Profilquerschnitt im Vergleich zu den der mittleren und plattformnahen Profilbereiche kontinuierlich und nicht stufig. Mit zunehmender Höhe der zur Schaufelachse 5 senkrecht stehenden gedachten Ebene von der Oberfläche 11 der Plattform 9 vergrößert sich der Abstand A der Schnittlinien 32, welche die gedachte Ebene mit der Druckseitenfläche 21 und der Saugseitenfläche 23 bildet, so dass eine Aufweitung des Profilquerschnitts 34 im spitznahen Profilbereich 31 vorliegt. Hierdurch weist die Profilspitze 15 einen Profilquerschnitt 35 auf, der gegenüber den Profilquerschnitten 33, 34 vergrößert ist.
Das Schaufelprofil 13 weist im spitznahen Profilbereich 31 im Bereich der Schaufelvorderkante 17 keine oder eine lediglich geringe Aufweitung auf (verglichen mit den mittleren oder plattformnahen Profilbereichen 27, 29) , die sich in Strömungsrichtung des Strömungsmediums bis zu einer Mitte 28 der Schaufelbreite 26 vergrößert und im weiteren Verlauf zur Schaufelhinterkante 19 wieder abnimmt. Auch die Schaufelhinterkante 19 des spitznahen Profilbereichs 31 ist verglichen mit der Schaufelhinterkante 19 der mittleren bzw. plattformnahen Profilbereich 27, 29 nahezu im Längsschnitt unverändert.
In der Stirnseite 37 der Profilspitze 15, welche auch als Anstreifkante bezeichnet wird, sind im Bereich der Mitte 28 der Schaufelbreite 26 zwei langgestreckte Ausnehmungen 39 vorgesehen, welche durch eine dazwischen liegende Trennwand 41 voneinander getrennt sind.
Fig. 2 zeigt teilweise eine an einem Rotor angeordnete
Laufschaufel 3 eines Verdichters mit einer Gehäuseinnenwand 43 in einem Längsschnitt. Die Laufschaufei 3 ist lediglich mit ihrem mittleren Profilbereich 29 und dem spitznahen Profilbereich 31 dargestellt. Die Druckseitenfläche 21 und die Saugseitenfläche 23 weiten das Schaufelprofil 13 in
Richtung der Profilspitze 15 auf. An der Stirnseite 37 der Laufschaufeln 3 sind zwei Ausnehmungen 39 vorgesehen, welche durch eine Trennwand 41 voneinander getrennt sind. Der Stirnseite 37 gegenüberliegend ist die Gehäuseinnenwand 43 angeordnet, welche den Strömungskanal 10 des Verdichters nach außen begrenzt und zwischen denen ein Radialspalt 45 gebildet ist.
Im Längsschnitt betrachtet, welcher quer zur Strömungsrichtung eines Strömungsmediums verläuft, gabelt sich im spitznahen Profilbereich 31 in Richtung der Profilspitze 15 das Schaufelprofil 13 in eine druckseitige Dichtlippe 36 und eine saugseitige Dichtlippe 38 auf.
Ferner schließt die Druckseitenfläche 21 im spitznahen
Profilbereich 31 mit der Gehäuseinnenwand 43 einen stumpfen Winkel α und die Saugseitenfläche 23 im spitznahen Profilbereich 31 mit der Gehäuseinnenwand 43 einen stumpfen Winkel ß ein.
Während des Betriebes des Verdichters strömt das Strömungsmedium die Schaufelvorderkante 17 in Richtung der Schaufelhinterkante 19 an. Dabei stellt sich im Bereich der Druckseitenfläche 21 ein höherer Druck im Strömungsmedium ein als im Bereich der Saugseitenfläche 23, welche
Druckverhältnisse durch Plus und Minus in Fig. 2 dargestellt sind. Durch die unterschiedlichen Drücke wird eine Leckageströmung 47 hervorgerufen, die durch den Radialspalt 45 strömt.
Mit den Dichtlippen 36, 38 und der Trennwand 41 als dritte Dichtlippe kann im Bereich des Radialspaltes 45 des Verdichters eine bessere Abdichtung erreicht werden, was zu einer Reduzierung der Strömungsverluste und zu einer Wirkungsgradsteigerung des Verdichters führt.
Durch die Leckageströmung 47 entstehen in den Ausnehmungen 39 Verwirbelungen, welche die Strömungsgeschwindigkeit der Leckageströmung 47 begrenzen und somit die Leckage reduzieren.
Der rotierende Rotor bewegt die Laufschaufel 3 in Richtung R, so dass im spitznahen Profilbereich 31 durch die schräg geneigte Druckseitenfläche 21 eine radial wirkende Komponente 49 das zu verdichtende Strömungsmedium von dem Radialspalt 45 weggedrückt wird. Hierdurch wird die Leckageströmung 47 weiter vermindert.
Durch die stumpfen Winkel CC, ß erfolgt eine aerodynamische Verbesserung der Verdichterschaufel 1, so dass die Strömung im Bereich der Schaufelhinterkante 19 im spitznahen Pro ilbereich 31 weniger zur Ablösung bzw. zum Abreißen neigt.
Fig. 3 zeigt wie Fig. 2 eine Verdichterschaufei 1 mit einer gegenüberliegenden radialen Strömungsbegrenzung. Anstelle der Laufschaufei 3 aus Fig. 2 ist in diesem Fall eine Leitschaufel 4 und anstelle der Gehäuseinnenwand 43 teilweise der Rotor 6 mit seiner Umfangsflache 8 gezeigt.
Beim Betrieb des Verdichters rotiert der Rotor 6 in der Drehrichtung R unter der Stirnseite 37 der feststehenden Leitschaufel 4 hinweg. Durch die beiderseits der Leitschaufel 4 unterschiedlichen Drücke im Strömungsmedium, welche durch Plus und Minus dargestellt sind, wird eine LeckageStrömung 47 hervorgerufen, welche durch die in den Ausnehmungen 39 entstehenden Verwirbelungen auf ein Mindestmaß begrenzt wird.
Ferner wird durch die Aufweitung des Schaufelprofils 13 im spitznahen Profilbereich 31 eine radiale Komponente 49 in dem das Schaufelprofil 13 umströmenden Strömungsmedium erzeugt, so dass dieses vom Radialspalt 45 weggeführt wird und sich die Leckageströmung 47 weiter reduziert. Die radiale Komponente 4 ist im Bereich der Druckseitenfläche 21 dabei stärker ausgeprägt als auf der Saugseitenfläche 23.
Alternativ dazu kann eine Verdichterschaufel 1 im spitznahen Profilbereich 31 auch derart ausgebildet sein, dass lediglich an der Druckseite (oder an der Saugseite) die entsprechende Seitenfläche 21 (23) eine Aufweitung des Schaufelprofils 13 bedingt, so dass die gegenüberliegende Saugseitenfläche 23 (oder die Druckseitenfläche 21) in einem senkrechten Winkel auf die den Strömungskanal 10 begrenzende Oberfläche trifft.
Selbstverständlich ist die Verdichterschaufei 1 und der Verdichter für den Einsatz in einer Gasturbine geeignet. Ferner kann die Erfindung auch auf freistehende Schaufeln einer Turbine angewendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichterschaufei (1) mit einem Schaufelfuß (7), einer Plattform (9) und einem deckbandlosem Schaufelprofil (13) mit einer Profilspitze (15) , die entlang einer Schaufelachse (5) aufeinander folgend angeordnet sind, mit einer jeweils am Schaufelprofil (13) vorgesehenen Schaufelvorderkante (17) und einer Schaufelhinterkante (19), wobei das Schaufelprofil (13) eine gekrümmte Saugseitenfläche (23) sowie eine der Saugseitenfläche (23) gegenüberliegende gekrümmte Druckseitenfläche (21) aufweist, wobei das Schaufelprofil (13) in Richtung der Schaufelachse (5) kontinuierlich ineinander übergehende plattformnahe, mittlere und spitzennahe Profilbereiche (27, 29, 31) aufweist, wobei im Längsschnitt durch die Verdichterschaufel (1) der Abstand (A) der Druckseitenfläche (21) zur Saugseitenfläche (23) in den spitznahen Profilbereichen (31) sich jeweils in Richtung der Profilspitze (15) aufweitet, dadurch gekennzeichnet, dass die AufWeitung in Mitte der Schaufelbreite maximal ist und in Richtung der Schaufel orderkante (17) und Schaufelhinterkante (19) abnimmt.
2. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1, bei der die Aufweitung kontinuierlich in Richtung der Schaufelachse (5) verläuft.
3. Verdichterschaufei (1) nach Anspruch 1, bei der die AufWeitung ausgehend vom mittleren Profilbereich (29) beidseitig angeordnet ist
4. Verdichterschaufel (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Profilspitze (15) eine Stirnfläche (37) aufweist, in der zumindest eine langgestreckte Ausnehmung (39) vorgesehen ist.
5. Verdichterschaufel (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der mindestens zwei annähernd parallel verlaufende Ausnehmungen (39) an der Stirnfläche (37) vorgesehen sind, zwischen denen sich eine oder mehrere Trennwände (41) erstreckt.
6. Verdichterschaufel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Schaufelprofil (13) eine Profilhöhe (25) in Richtung der Schaufelachse (5) zwischen der Plattform (9) und der Profilspitze (15) aufweist und dass die spitznahen Profilbereiche (31) von der Plattformoberfläche (11) in einem Abstand von mindestens 85% der Profilhöhe beabstandet sind.
Verdichter mit mindestens einer Verdichterschaufei (1) nach einem der Ansprüche 1' bis 6.
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