DE3023466A1

DE3023466A1 - Einrichtung zur verminderung von sekundaerverlusten in einem beschaufelten stroemungskanal

Info

Publication number: DE3023466A1
Application number: DE19803023466
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 8031 Gröbenzell Bischoff
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1980-06-24
Filing date: 1980-06-24
Publication date: 1982-01-07
Also published as: FR2485620B1; GB2079399B; JPS6243042B2; GB2079399A; US4420288A; FR2485620A1; JPS5738601A; DE3023466C2

Description

■ ψ

wo/si

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÖNCHEN GMBH

München, den 18. Juni 1980 10

Einrichtung zur Verminderung von Sekundärverlusten in einem beschaufelten Strömungskanal

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Einrichtungen sind durch den Aufsatz "Methoden zur Verminderung der Sekundärverluste in axialen Turbinenstufen¹¹ von Heinz Prümper, Aachen, in Z.Flugwiss.20 (1972), Heft 1/2, Seiten 60 bis 70, in verschiedener Art bekannt, worauf unten näher eingegangen wird.

Die Sekundär- bzw. Randverluste in Schaufel gittern ° werden u.a. dadurch hervorgerufen, daß die in das Schaufelgitter eintretende und die an den Begrenzungsbzw. Kanalwänden entstehende Wandgrenzschicht (wandnahe Reibungsschicht), angetrieben in jedem Einzel kanal

T-636
18.06.1980

130061/0251

vom Quer-Druckgefälle von der Druckseite der einen Schaufel zur Saugseite der anderen Schaufel, in der Nähe der Begrenzungs- bzw. Kanalwände diese Saugseite erreicht und diese zur Kernströmung schräge Querströmung (Sekundärströmung) der Kanalwandgrenzschicht die Grenzschicht an der Saugseite (Saugseitengrenzschicht) vergrößert. Hierbei entstehen Rand- bzw. Sekundärwirbel, die insbesondere bei Axialturbinen- ^ schaufeln niedrigen Seitenverhältnisses (Schaufelradiallänge: Schaufelsehnenlänge) die Güte der Energieumsetzung stark beeinflussen.

Bei den genannten bekannten Einrichtungen handelt es '^ sich um Grenzschichtzäune, die im wesentlichen ein Vermischen der schrägen Querströmung mit der Saugseitengrenzschicht vermindern. Es ist entweder auf der der Saugseite in geringem Abstand von den beiden Kanalwänden je ein Grenzschichtzaun oder auf den beiden

Kanalwänden je ein Grenzschichtzaun in der Nähe der

Saugseite vorgesehen. Die erstgenannten Zäune erbringen eine Verbesserung des Leitradwirkungsgrads, wobei eine bestimmte Zaunhöhe immer nur für eine bestimmte Mach-

Zahl und Grenzschichtdicke optimal ist. Es entstehen

aber nach wie vor Sekundärwirbel. Die zweitgenannten Zäune erbringen eine geringere Verbesserung als die erstgenannten.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, die empfindliche, genau geformte Schaufelsaugseite von der anfangs genannten Einrichtung zu verschonen und eine andere Lösung für diese Einrichtung zu finden.

„, T-636

^öt> 18.03.1980

130061/0251

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Somit ist die Schaufel saugsei te von der anfangs genannten

Einrichtung freigehalten. Aber trotz der nicht besonders hohen Verbesserung durch die genannten bekannten Zäune auf den Kanalwänden setzt die Lösung an

-Q der Kanalwand an. Die erfindungsgemäße, zur gegenüberliegenden Kanalwand hin vorspringende Grenzschichtstufe wirkt mit ihrer Stirn der schrägen Querströmung entgegen. Dieses Hindernis ruft einen keilförmigen Aufstau dieser Strömung- bzw. der Grenzschicht hervor und führt beim Oberströmen der Kante der Grenzschichtstufe bzw. Stirn zur Bildung einer neuen Grenzschicht auf dem Auftritt dieser Stufe. Für den Abtransport des an der Stirn aufgestauten Fluids sorgen ein Stromabwärts-Druckgefälle und/oder eine Vermischung dieses

Fluids mit dem Fluid der Kernströmung. Die Erfindung

hat ferner den Vorteil der Einfachheit in der Herstellung stellt keine zusätzlichen Ansprüche an eine eventuelle Kühlung der Kanalwände und hat dan Vorteil einer weitgehend störungsfreien Schaufel saugseitenströraung nahe den Kanal wänden.

Die Stärke des nunmehr von der Schaufel saugsei te weg in den Einzelkanal verlegten Sekundärwirbels ist geringer, weil die aus dem Quer-Druckgefälle resultierenden Geschwindigkeitskomponenten nicht das volle Quer-Druckgefälle durchlaufen. Die Mischverluste an der genannten Stufen- bzw. Stirnkante werden ebenfalls

T-636

18.06.1980

130061/0251

abgeschwächt» und zwar weil die Mach-Zahl, bei der die Mischung stattfindet, überall niedriger ist, als direkt an der Schaufelsaugseite.

Einer der großen Vorteile der Erfindung ist die genannte Bildung der neuen Grenzschicht auf dem Stufenauftritt. Dieser große Vorteil ist gegenüber dem genannten bekannten, auf der Kanalwand vorgesehenen Zaun vorhanden. Bei diesem Zaun führt das überströmen der Kante desselben zu Wirbeln, was vergleichsweise ungünstiger ist.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung sind insbesondere aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Es sind zur Sekundärverlustverminderung vorteilhafte Verläufe, Lagen und Längen der genannten Stirn bzw.

Grenzschichtstufe in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Die wenigsten Verluste bringt diese Stufe, wenn ihre Stirn entlang einer Stromlinie der Kernstrbmung verläuft - siehe den Anspruch 3 -, denn dann

trifft, falls die Stirn höher als die Grenzschicht-25

dicke ist, die Kernströmung nicht auf die Stirn, so daß

keine nennenswerte Störung auftritt. Es ist vorteilhaft, gemäß dem Anspruch 6 vorzugehen, denn hauptsächlich ist der mittlere Teil der schrägen Querströmung sekun- _ därverlustverursachend. Es ist insbesondere deshalb auch vorteilhaft, gemäß dem Anspruch 7 oder den Ansprüchen 6 und 7 vorzugehen. Ganz allgemein kann sich die Stufe einschließlich ihrer Stirn, längs verfolgt,

T-636

. 18.03.1980

130061/0251

in ihrer Höhe ändern. Die längs konstante Höhe oder die maximale Höhe der Stufe Hegt in der Größenordnung der Grenzschichtdicke der schrägen Querströmung ohne die Stufe; sie ist vorzugsweise etwa gleich dieser Dicke bis etwa doppelt so groß wie diese Dicke. Relativ wenig aufwendig und kostensparend ist die Herstellung der Stufe, wenn gemäß dem Anspruch 8 vorgegangen wird. Es können bei der Herstellung des Schaufelgitters die Fertigungstoleranzen so gelegt werden, daß beim Zusammenbau desselben die Stufe mit ihrer Stirn jeweils an den aneinanderstoßenden Flächen der Schaufel plattformen - siehe Anspruch 8 entstehen. Am einfachsten ist die Stufe, wertn die

*⁵ im Anspruch 8 genannte Stoßfläche und somit die Stirn, längs verfolgt, gerade ist. Die Stufe besteht immer aus der genannten, im allgemeinen senkrechten, z.B.bei Axialstufen radialen, Stirn und einem bis zur Schaufelsaugseite bzw. nächsten Grenzschichtstufe reichenden

Auftritt. Die Stirn kann auch konkav oder andersartig nach innen ausgehöhlt sein.

Die Erfindung kann bei Leit- und/oder Laufschaufelkränzen bzw. bei deren Kanalwänden, wie z.B. bei einer

Naben-, Schaufel plattform-, Schaufelfuß-, Gehäuseoder Deckbandwand oder dgl_v angewendet werden. Bei Axialturbomaschinen sind die beiden Kanal wände eine radial Innere Hand und eine radial äußere Wand; bei Radialverdichtern z.B. folgen die beiden Kanalwände verdichteraxial aufeinander.

T-636

18.06.1980
35

130061/0251

In der Zeichnung sind zwei Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung bei einem Einzelkanal eines beschaufelten Strömungskanals einer Axialturbine schematisch und vereinfacht dargestellt. Dabei ist die Kanalwand eine radial innere.

Fig. 1 und 2 zeigen eines der Ausführungsbeispiele, und zwar zeigt Fig. 1 dieses in einer Draufsicht in turbinenradialen Richtung I (siehe Fig. 2) und Fig. 2 in einem Turbinenquerschnitt H-II (siehe Fig. 1) etwas vergrößert.

Fig. 3 und 4 zeigen das andere Ausführungsbeispiel, wobei die Kanalwand mit den Schaufeln gemäß Fig. 3 in einer Ebene abgewickelt und perspektivisch dargestellt und gemäß Fig. 4 in Ansicht aus Richtung IV (siehe Fig. 3) dargestellt ist.

Gemäß Fig. 1 und 2 bilden eine Schaufel 10 und eine Schaufelplattform 12 eine Einheit und eine Schaufel und eine Schaufelplattform 13 eine weitere Einheit.

_._ Diese Plattformen 12 und 13 sind in der Draufsicht 25

gemäß Fig. 1 parallelogrammförmig. Sie sind gleich,

bilden eine Kanalwand des zwischen seinem Eintritt und Austritt 37 gekrümmt verlaufenden Einzelkanals und stoßen mit ihren schräg zur Umfangsrichtung (Pfeil 15) „₀ gerade verlaufenden, radial stehenden Flächen 16 und 17 aneinander.

T-636

18.06.1980
35

130061/0251

Die Grenzschichtstufe besteht aus einer zu einer konkaven Druckseite 20 der Schaufel 10 weisenden Stirn 14 und einem Auftritt 29. Die konvexe Saugseite der Schaufel 11 ist mit 21 bezeichnet. In Fig. 1 stellen die mit den Strömungsrichtungspfeilen versehenen Stromlinien 18 die schräge Querströmung dar, insbesondere wenn man sich diese Stufe 14, wegdenkt. Die eintretende Grenzschicht löst sich an den Stellen 22 und 23 wie eine "Bugwelle" vor den runden Schaufelvorderkanten 24 und 25 ab, und die von der Stelle 22 kommende Stromlinie 18' erreicht an der Stelle 26 die Saugseite 21. Von der schrägen Querströmung ist am meisten sekundärverlusterzeugend ihr kernstromabwärts von dieser Strömungslinie 18' befindlicher, auf die Saugseite 21 treffender Teil. Außerdem sind in Fig. 1 noch Äquipotential linien (Linien gleichen Drucks) 27 gestrichelt eingezeichnet. _- Sie kennzeichnen ein Stromabwärts-Druckgefälle im Einzelkanal.

Die Stirn 14 verläuft, längsverfolgt, gerade - siehe Fig. 1. Die Stufe 14, 29 ist - siehe Fig. 2 - durch die Plattform 13 gebildet, wobei die Stirn 14 eine radiale Verlängerung der Fläche 17 ist; die Stirn steht radial. Die Kanalwand besteht aus einem Wandteil 28 und der Stufe 14, 29. Die Stirn 14 verläuft im wesentlichen näher der Saugseite 21; im Turbinen-

3Q querschnitt II-II ist die Stirn 14 etwas weniger als ein Drittel der dortigen Einzel kanal breite von der Saugseite 21 entfernt.

T-636

18.06.1980
35

130061/0251

In Fig. 2 sind die schräg querströmende Grenzschicht am Wandteil 28 und die am Auftritt 29 neu entstandene Grenzschicht 31 zu sehen. Die Strömung der Grenzschicht 30 ist durch den Pfeil 32 und den Wirbelpfeil 33 angedeutet. An der Stirn 14 wird die Grenzschicht 30 aufgestaut. Die Dicke der Grenzschicht 30 wächst bis zur Stirn 14 auf deren Höhe an - siehe die Grenzschicht - Grenzlinie 34. Durch die Stirn 14 abgebremstes Grenzschichtfluid wird aus dem vor der Stirn 14 befindlichen Gebiet 35 kernstromabwärts transportiert. Die Grenzlinie der Grenzschicht 31 ist mit 36 bezeichnet.

Der tfandteil 28 und der Auftritt 29 sind Teile von

Umdrehungsflächen um die nicht dargestellte Turbinenlängsachse - siehe Fig. 2 -. Es können aber auch der Auftritt (29) und der andere Wandteil (28) derselben

2Q Plattform (12) zusammen in dieser Reihenfolge kontinuierlich abfallend ausgebildet sein. Ferner reichen - siehe Fig. 1 - die Plattformen 12 und 13 über den Eintritt 19 und den Austritt 37 hinaus. Für die Stufe 14, 29 gilt dasselbe. In einer weiteren Ausführungsform - siehe Fig. 1 - beginnt die Stufe 14, 29 etwa am Eintritt 19 und endet diese etwa am Austritt 37 siehe die Punkte 40 und 41. Dabei reichen die Plattformen z.B. nur etwa vom Eintritt 19 bis etwa zum Austritt 37 - siehe die strichpunktierten Linien 38 und 39.

Gemäß Fig. 3 und 4 beginnt die aus einer Stirn 42 und

T-636
18.06.1980

130061/0251

-12-

einem Auftritt 43 bestehende Stufe hinter dem Eintritt 19 und endet diese vor dem Austritt 37.

_ Diese Stufe einschließlich ihrer Stirn 42 ist, ο

längs verfolgt, konvex gewölbt und hat am Anfang und Ende die Höhe Null. Die größte Höhe h dieser Stufe und ihrer Stirn 42 befindet sich In ihrem Hittelgebiet. Die Stirn 42 verläuft, längs ver-,Q folgt, parallel zur Saugseite 21. Die Schaufelplattform 44 beginnt am Eintritt 19 und endet am Austritt 37. Diese Plattform 44 und die Stufe 42, 43, meist einschließlich der Schaufel 10, sind ein einziges Gußstück.

T-636
18.06.1980

130061/0251

Leerseite

Claims

wo/si HTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÖNCHEN GMBH München, 18. Juni 1980 Patentansprüche

1. Einrichtung zur Verminderung von Sekundärverlusten in einem beschaufelten Strömungskanal einer Strömungsmaschine, welche Einrichtung im Gebiet mindestens einer der beiden Kanalwände und jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benach» barten Schaufeln vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwand mindestens eine Grenzschichtstufe (14, 29) hat, wobei die Stirn (14) der Grenzschichtstufe (14, 29) zur Schaufeldruckseite (20) weist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Stirn (14), längs verfolgt, etwa senkrecht oder kernstromabwärts schräg zur schrägen

Querströmung (18, 18') der Kanalwandgrenzschicht ■an

verläuft.

T-636

130061/0251

-2- 3023468

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Schrägverlauf der Stirrv (14) sich zumindest grob mit dem Verlauf des Einzelkanals, einer Stromlinie der Kernströmung in ihm oder einer Parallelen (Fig.3) zur Schaufelsaugseite (21) deckt.

,Q 4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn (14) der einzigen Grenzschichtstufe (14, 29) zumindest im wesentlichen näher der Schaufelsaugseite (21) als der Schaufeldruckseite (20) verläuft»

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die Grenzschichtstufe (14, 29) im Einzel kanal etwa an dessen Eintritt (19) beginnt und etwa an dessen Austritt (37) endet.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die Grenzschichtstufe (42, 43) im EiTJzelkanal hinter dessen Eintritt (19) beginnt und vor dessen Austritt (37) endet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekenn- * zeichnet, daß die Grenzschichtstufe (42, 43) einschließlich ihrer Stirn (42), längs verfolgt, konvex gewölbt ist und am Anfang und Ende die Höhe Null hat.

T-636
18.06.1980

130061/0251

-3-

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichtstufe (14, 29) bei zwei die Kanalwand bildenden, flächig aneinanderstoßenden Schaufel plattformen (12, 13) durch die eine Schaufel plattform (13) gebildet ist, wobei die genannte Stirn (14) aus der Stoßfläche (17) dieser Schaufelplattform (13) erwächst.

T-636

18?G6.1980 35

130061/0251