DE3202855C1 - Einrichtung zur Verminderung von Sekundaerstroemungsverlusten in einem beschaufelten Stroemungskanal - Google Patents

Description

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

Die durch die GB-PS 11 32 259 bekannte Einrichtung dieser Art ist bei einem Kanal vorgesehen, der sich von seinem Eintritt bis zu seiner hinteren Hälfte liegenden Engstelle verengt. Die dortige Wölbung ist eine längsverlaufende Einwölbung (Mulde) mit Querabfall zur Schaufelsaugseite hin. Durch diese Einwölbung entsteht eine Durchströmquerschnittsvergrößerung, die den statischen Druck dort erhöht und somit die Differenz der statischen Drücke zwischen der Schaufeldruck- und der Schaufelsaugseite des Kanals, also das Quer-Druckgefälle, verringert. Die Sekundärströmungs- oder Randströmungsverluste oder Randwirbel im Kanal werden unter anderem dadurch hervorgerufen, daß die in den Kanal eintretende und die an den Kanalwänden entstehende Wandgrenzschicht (wandnahe Reibungsschicht), angetrieben durch das Quer-Druckgefälle, die Schaufelsaugseite erreicht und diese zur Kernströmung schräge Querströmung (Sekundärströmung) der Kanalwandgrenzschicht die Grenzschicht an der Schaufelsaugseite vergrößert. Die genannten, hierbei entstehenden Randwirbel beeinflussen, insbesondere bei Schaufeln niedrigen Seitenverhältnisses (Schaufellänge : Schaufelsehnenlänge), die Güte der Energieumsetzung stark. Die genannte Verringerung des Quer-Druckgefälles vermindert diese Randwirbel bzw. Sekundärströmungsverluste.

Die Einwölbung (Mulde) ist aber nachteilig, da sie vom Kanaleintritt bis zu ihren Maximum- bzw. Tiefstgebiet, das im Gebiet der genannten hinteren

ίο Engstelle liegt, konvex abfällt und somit das vom Kanaleintritt bis zu diesem Engstellengebiet beschleunigte Fluid noch stärker beschleunigt wird. Damit ist die durch die Einwölbung erzielte Druckerhöhung im wesentlichen auf das Gebiet der Engstelle beschränkt, wo durch den durch das Tiefstgebiet der Einwölbung vergrößerten Durchströmquerschnitt und den dort konkaven Verlauf der Einwölbung die Geschwindigkeit verringert wird, während längs des Bereichs der genannten verstärkten Beschleunigung ein verstärkter Druckabfall auftritt und also das zugehörige Quer-Druckgefälle vergrößert wird. Die genannte Verringerung des Quer-Druckgefälles wird also im wesentlichen nur im Gebiet der Engstelle erreicht, das also relativ kurz ist und ferner in der hinteren Hälfte des Kanals liegt, so daß nur eine relativ kleine Verminderung der genannten Sekundärströmungswirbel oder -Verluste erzielt wird. Nachteilig ist ferner, daß die Einwölbung meist nicht so tief wie erwünscht ausgeführt werden kann, und zwar aus Gründen der gegebenen Bauart, insbesondere weil Schaufelplattformen od. dgl. nicht entsprechend dick sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, im Kanalwandgebiet schaufelsaugseitig eine Druckerhöhung auf einem längeren, sich nach vorn erstreckenden Bereich zu erzielen.

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

Die Wölbung ist also eine Auswölbung oder Erhebung, die in Kanaldurchströmrichtung bis zum Maximumgebiet mindestens zu einem wesentlichen Teil konkav ansteigt, so daß sich eine positive Krümmung der Stromlinien ergibt und senkrecht zu ihnen Zentrifugalkräfte auftreten, die durch Druckerhöhungen aufgenommen werden. Der erhöhte Druck kann schon kurz hinter dem Beginn des konkaven Anstiegs vorhanden sein. Es wird im Kanalwandgebiet schaufelsaugseitig über einen längeren vorderen und/oder mittleren Bereich eine Druckerhöhung bzw. eine Verringerung des Quer-Druckgefälles bzw. Schwächung der schrägen Querströmung und somit eine größere Verminderung der genannten Sekundärströmungswirbel oder -Verluste erreicht. Das Gebiet hinter dem Anstieg der Auswölbung ist zwar wenig von Belang, jedoch ist infolge des davor erhöhten Drucks auch dort der Druck relativ hoch. Ferner darf die Auswölbung immer so hoch wie gewünscht ausgeführt werden.

Ausbildungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Meist, insbesondere im Fall des Anspruchs 3, wird gemäß dem Anspruch 2 vorgegangen, nach dem sich also an den Anstieg dann im Maximumgebiet eine konvexe Längskrümmung und an diese ein insbesondere konkaver Längsabfall anschließen. Der Längsabfall kann aber auch gerade oder konvex sein. Die genannten Vorteile und Wirkungen der Erfindung treten auch oder insbesondere im Fall des Anspruchs 3 auf, der einen bevorzugten Fall darstellt.

Darüber hinaus kann in diesem Fall die genannte Drucksteigerung durch geeignete Wahl des Längs- bzw. Krümmungsverlaufs des konkaven Anstiegs auf einen Druck führen, der die hinter der Engstelle normalerweise auftretende Verzögerung in eine Beschleunigung umgekehrt. Das Fluid, das bis zum Engstellengebiet wegen des konkaven Anstiegs weniger beschleunigt wird als sonst, wird also weiter beschleunigt, also vom Eintritts- bis zum Austrittsgebiet des Kanals stetig beschleunigt. Die Verluste, die sonst mit der eben genannten Verzögerung verbunden sind, werden also vermindert. Dies erbringt eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung, zusätzlich zu der durch die Verminderung der Sekundärströmungsverluste erzielten Wirkungsgradverbesserung.

Die Wirkungen und Vorteile der Erfindung treten auch besonders in Erscheinung, wenn gemäß dem Anspruch 4 oder 5 vorgegangen wird. Es beginnt dann der Bereich der Druckerhöhung schon weit vorn bzw. schon im Gebiet des Kanaleintritts. Insbesondere endet die Auswölbung oder der genannte Längsabfall im Gebiet des Austritts des Kanals. Bezüglich des Querabfalls richtet man sich im allgemeinen nach dem Anspruch 6. Auch kann sich in Längsrichtung der Auswölbung die Form des Querabfalls ändern.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei Axialströmungsmaschinen, insbesondere Axialturbinen, angewendet, kann aber auch bei Radialströmungsmaschinen angewandt werden. Die Erfindung wird ferner bei Lauf- und/oder Leitkränzen angewendet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Fall von Axialturbinenschaufeln schematisch dargestellt.

Eine Kanalwand 10 weist zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln 11 und 12 niedrigen Seitenverhältnisses eine Auswölbung 13 auf. Von der Schaufel 12 ist nur deren Grundriß an der Kanalwand 10 angedeutet; das betreffende Profil ist strichpunktiert dargestellt. Die Auswölbung 13 verläuft längs der Saugseite 14 der Schaufel 11 und mit Abstand von der Druckseite 15 der Schaufel 12. Die Auswölbung 13 fällt in Querrichtung — siehe den Pfeil 16 — von der Saugseite 14 ausgehend kontinuierlich ab, und zwar S-förmig. Dieser durch vier Außenkontur-Querlinien 26 angedeutete Querabfall ist, von der Saugseite 14 ausgehend, zuerst konvex und anschließend konkav. Dies gilt im wesentlichen für jedes Gebiet der Auswölbung 13. Der Kanal zwischen den beiden Schaufeln 11 und 12 verengt sich kontinuierlich von seinem Eintritt 21 bis zu seiner durch die strichpunktierte Linie 18 angedeuteten Engstelle. Der Engstellen-(durchström)querschnitt steht etwa senkrecht auf der Saugseite 14 — siehe den etwa rechten Winkel 19 zwischen deren strichpunktiert dargestellten Grundriß 28 und der Linie 18 — und enthält die Austrittskante 20der Schaufel 12. Dieser Querschnitt befindet sich in der hinteren Hälfte des Kanals. Die Form der Oberfläche der Auswölbung 13 in Kanaldurchströmrichtung — Pfeil 17 — ist durch drei Außenkontur-Längslinien, jeweils aus Teilen 23 bis 25, angedeutet: Die Auswölbung 13 beginnt nahe der Saugseite 14 kurz hinter dem Eintritt 21 und weiter weg von der Saugseite 14 immer weiter dahinter (siehe die strichpunktierte Linie 27) und steigt bis zum Gebiet des Maximums der Auswölbung 13, das im Gebiet der Engstelle (18) liegt, konkav an (23); anschließend, in diesem Maximumgebiet, ist die Auswölbung 13 konvex gekrümmt (24); daran anschließend fällt sie bis zum Austritt 22 konkav ab (25). Am breitesten, in Querrichtung (16), ist die Auswölbung 13 in ihrem genannten Maximumgebiet. Die seitliche Kontur der Auswölbung 13 ist konvex und durch die strichpunktierte Linie 27 wiedergegeben. Diese Kontur verläuft etwa von der Vorderkante der Schaufel 14 bis etwa zur Mitte des Austritts 22. An dieser Kontur ist der Übergang der Auswölbung 13 in den übrigen Teil der Kanalwand 10 knickfrei. Zwischen der Saugseite 14 und der Auswölbung 13 ist der Übergang praktisch scharf. Er kann aber auch gerundet sein, wobei der Rundungsradius od. dgl. im allgemeinen sehr klein im Vergleich zur Breite oder Länge der Auswölbung 13 ist. Die Auswölbung 13 ist der Deutlichkeit halber übertrieben hoch dargestellt — siehe z. B. ihr Maximumgebiet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verminderung von Sekundärströmungsverlusten in einem beschaufelten Strömungskanal einer Strömungsschiene, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln an mindestens einer der beiden Kanalwände eine Wölbung aufweist, welche längs der Schaufelsaugseite und mit Abstand von der Schaufeldruckseite verläuft und ihr Maximumgebiet im hinteren Bereich des Kanals hat und welche in Querrichtung kontinuierlich abfällt,dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung eine Auswölbung (13) ist, die in Kanaldurchströmrichtung (17) bis zum Maximumgebiet zu einem wesentlichen Teil oder insgesamt konkav ansteigt und deren Querabfall von der Schaufelsaugseite (14) ausgeht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswölbung (13) in Kanaldurchströmrichtung (17) anschließend an diesen Anstieg (23), also im Maximumgebiet, konvex gekrümmt ist (24) und daran anschließend einen insbesondere konkaven Abfall (25) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kanal mit einer in seinem hinteren Bereich liegenden Engstelle (18) dieser Anstieg (23) bis zum oder bis hinter das Gebiet dieser Engstelle (18) reicht, wo sich dann auch das Maximumgebiet befindet.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der konkave Anstieg (23) im Gebiet des Eintritts (21) des Kanals beginnt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an diesen konkaven Anstieg (23) ein gerader Anstieg bis zum Maximumgebiet anschließt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querabfall S-förmig — und zwar, von der Schaufelsaugseite (14) ausgehend, zuerst konvex und anschließend konkav (26) -, gerade oder nur konkav ist.