DE3505823A1

DE3505823A1 - Anordnung zur beeinflussung der stroemung an leit- oder laufschaufeln fuer turbomaschinen

Info

Publication number: DE3505823A1
Application number: DE19853505823
Authority: DE
Inventors: Hans 8038 Gröbenzell Bischoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-20
Filing date: 1985-02-20
Publication date: 1986-08-21

Description

Anordnung zur Beeinflussung der Strömung
an Leit- oder Laufschaufeln für Turbomaschinen Bei aerodynamischen Profilen, wie z. B. Turbomaschinenschaufeln kann der Grenzschichtumschlag laminar auf turbulent bei niedrigen Reynoldszahlen in Form einer lokal begrenzten Ablösung, im folgenden Umschlagblase oder Ablöseblase genannt, erfolgen, wobei zusätzliche Verluste entstehen. Zur Vermeidung dieser Verluste sind Maßnahmen bekannt, die den Grenzschichtumschlag durch künstliche Oberflächenrauhigkeit, sogenannte Stolperdrähte oder Lufteinblasung im Gebiet der Umschlagblase erzwingen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Beeinflussung der Strömung an Leit- oder Laufschaufeln für Turbomaschinen durch Ausblasen oder Einsaugen von Strömungsfluid durch in der Saugseite quer zur Strömungsrichtung verteilten und senkrecht zur Oberfläche der Saugseite mündenden Öffnungen, die im Bereich der Ablösung einer sich bei kleinen Reynoldszahlen -(Rev 100 000) ausbildenden laminaren Strömung angeordnet sind und die mit stromaufwärts vor einem sich ausbildenden Druckminimum liegenden Öffnungen in Verbindung stehen.
Eine Anordnung der vorgenannten Art ist aus der DE-PS 30 43 567 bekannt. Schwierigkeiten bei der praktischen Anwendung einer vorbeschriebenen Anordnung sind dann zu erwarten, wenn die zu verbessernden aerodynamischen Profile über einen weiten Re-Bereich betrieben werden sollen, da die bei niedrigen Reynoldszahlen erwünschte Beeinflussung der Grenzschichtströmung durch das Ausblasen bei hohen Reynoldszahlen sich negativ auswirken kann. Zur Lösung dieses Problems wird in der vorerwähnten Druckschrift vorgeschlagen, ein Steuerorgan in den Verbindungskanal zwischen den beiden verbundenen Öffnungen einzusetzen, mit dem die Verbindung und damit das Ausblasen bzw. Einsaugen von Fluid unterbrochen werden kann. Abgesehen davon, daß ein solches Steuerorgan in erheblichem Maß zusätzlichen baulichen Aufwand bedingt, ist es nur bei vergleichsweise großen Profilen verwirklichbar. Bei kleineren Leit- oder Laufschaufeln von Turbomaschinen sind solche Absperrorgane, insbesondere wegen Platzmangel, nicht mehr zu verwirklichen.
Auch thermische Probleme, wie sie insbesondere bei einem Heißgasstrom einer Gasturbine auftreten, schränken die Anwendbarkeit von Absperrorganen sehr stark ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Anordnung zu schaffen, die über einen weiten Re-Bereich selbsttätig die Ausblasung bzw. Einsaugung des Strömungsfluids so steuert, daß die Ausbildung von Ablöseblasen verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Anordnung die Position der jeweils verbundenen Öffnungen in Strömungsrichtung so gewählt ist, daß bei hohen Reynoldszahlen (Re200 000) und ablösungsfreier Umströmung der Saugseite der Schaufel an beiden verbundenen Öffnungen bzw. Gruppen von Öffnun- gen gleicher Druck herrscht, bei kleinen Reynoldszahlen (Re b 100 000) dagegen eine Druckdifferenz A der Größe p 0,05 q bis 0,1 q, wobei q der Staudruck der Abströmgeschwindigkeit der Hauptströmunq hinter der Schaufelaustrittskante ist und der Durchmesser (d) der öffnungen den 40. bis 80. Teil der Profilsehnenlänqe (1) der Schaufel aufweist.
Die erfindungsgemäße Positionierung der Ausblas- bzw.
Einsaugöffnungen führt im Ergebnis dazu, daß die zur Ausbildung einer Umschlagblase führende, sich ablösende Grenzschichtströmung selbst bzw. die sich dabei einstellende Druckverteilung an der Profiloberfläche dazu ausgenutzt wird, eine Ausblasung bzw. Einsaugung von Strömungsfluid hervorzurufen und dadurch scheinbar das Schaufelprofil zu verändern.
Obwohl die gewünschte Selbststeuerung des Ausblasens bzw. Einsaugens auch dann erreichbar ist, wenn die jeweils miteinander verbundenen Öffnungen bzw. Gruppen von öffnungen im Bereich derselben Stromlinie angeordnet sind, kann es aufgrund der sich ausbildenden Druckverteilung an einer Schaufel vorteilhaft sein, wenn die jeweils verbundenen Öffnungen im Bereich von Stromlinien liegen, die quer zur Strömungsrichtung beabstandet sind. Eine in diesem Sinn bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Öffnung bzw.
eine erste Gruppe von Öffnungen im Bereich einer schaufelfußseitigen oder schaufelkopfseitigen Begrenzungsfläche eines von benachbarten Schaufeln gebildeten Schaufelkanals liegt, während die mit ihr in Verbindung stehende zugehörige zweite öffnunq bzw. die zweite Gruppe von Öffnungen auf einer im mittleren Bereich des Schaufelkanals verlaufenden Stromlinie liegt (liegen). Die Ver- bindung zwischen den Öffnungen, die im Bereich unterschiedlicher Stromlinien angeordnet sind, erfolgt vorteilhaft über den Innenraum einer hohlen Schaufel.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die wandnahe Öffnung die Form eines quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Langloches auf und ist mit einer Gruppe von zweiten Öffnungen verbunden.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine erste grundlegende Ausführungsform einer Turbinenschaufel, bei der die verbundenen Öffnungen im Bereich derselben Stromlinie angeordnet sind und bei der im Falle niedriger Reynoldszahlen im Bereich der stromabwärts gelegenen Öffnungen Unterdruck entsteht, Fig. 2 eine Ausführungsform einer Turbinenschaufel entsprechend Fig. 1, jedoch mit solcherart gestaltetem Schaufelprofil, daß bei niedrigen Reynoldszahlen an der stromabwärts gelegenen Öffnung Uberdruck entsteht und Fig. 3 eine erfindunsgemäß ausgestattete hohle Turbinenschaufel, bei der miteinander verbundene Öffnungen auf beabstandeten Stromlinien angeordnet sind.
In Fig. 1 ist schematisch ein Schaufelquerschnitt mit Einlaß- und Ausblasöffnunq samt Uberströnkanal dargestellt. Dazu gibt eine wandnahe Stromlinie mit Druckverteilung die Strömungsverhältnisse an.
Fig. la zeit die anliegende Strömung mit einer der Saugseitenkontur folgenden wandnahen Stromlinie 13. Auf der Saugseite befinden sich stromauf die Öffnung 11 und stromab die Öffnung 12. Erfindungsgemäß liegen diese an solchen Stellen Z11 und Z12, daß an beiden - bei anliegender Strömung - der gleiche Druck herrscht p11 = P12; wie in Fis. Ib dargestellt; dagegen, bei Bildung einer Umschlagblase in Fig. 1c mit Strömungsablösung 14 ein Druckunterschied PA entsteht, wenn sich aufqrund der veränderten wandnahen Stromlinie 15 die Druckverteilung ändert, wie es Fig. 1d zeigt. Dabei wird der Druck im abgelösten Gebiet 14 erniedriqt, so daß bei 11 Einströmen und bei 12 Ausblasen erfolgt. Das Ausblasen bewirkt Grenzschicht-Umschlag mit schnellerem Wiederanlegen der Strömung. Daraus resultiert ein verkleinertes Ablösegebiet mit entsprechend verringertem Verlust. Fig. 1e zeiqt die Schaufel im Schrägbild, wobei anstelle der Öffnung 11 eine über die Schaufelbreite verteilte Gruppe von Öffnungen 11 und anstelle der Öffnung 12 eine Gruppe von Öffnungen 12 vorgesehen ist.
Während in Fig. 1 aufgrund der Schaufelform ein Ablösegebiet entsteht, das im wesentlichen nur die Druckverteilung hinter der Endfläche beeinflußt, liegt in Fi. 2 eine Schaufelform vor, deren Druckverteilung sich bis in das Gebiet des Druckminimums ändert, sofern bei Grenzschichtumschlag eine Ablöseblase entsteht.
In Fig. 2a ist schematisch der Schaufelquerschnitt darvestellt; darunter in Fig. 2b die Druckverteilung an der Schaufelkontur im Fall anliegender Strömung, was durch die wandnahe Stromlinie 23, die der Schaufelkontur folgt, angedeutet wird.
Erfindungsgemäß sollen die Öffnungen 21 und 22 an solchen Stellen Z21 und Z22 der Schaufelkontur liegen, daß bei anliegender Strömung an beiden gleicher Druck herrscht.
P21 = p22 wie in Fig. 2b ersichtlich.
Bei Auftreten einer Umschlagblase mit Ablösegebiet 24 verändert sich die Schaufelumströmung wie es die wandnahe Stromlinie 25 veranschaulicht. Dadurch wird die Druckverteilung so verändert wie es Fig. 2d angibt. Nunmehr verrinqert sich der Druck an Öffnung 21, und bei 22 herrscht ein um A po höherer Druck. Daraus resultiert Absaugen von Fluid aus der Ablösung 24 und Ausblasen desselben aus der Öffnung 21, kurz vor der Ablöseblase, was wiederum zur Turbulenzerhöhung führt und das Ablösegebiet samt Verlusten verkleinert.
Fig. 3 stellt das erfindungsgemäße selbsttätige wirksame Ausblasen für den Fall einer Hohlschaufel dar, bei der sich Einlaßöffnung und Ausblaseöffnung auf verschiedenen Profilschnitten befinden, d. h. auf verschiedenen Stromlinien mit jeweils anderen Druckverteilungen liegen.
Fig. 3a zeigt die Schaufelansicht mit den Stromlinien 33 und 34. Stromlinie 34 und Einlaßöffnung 31 liegen auf dem Schaufelschnitt ohne Ablösegefahr - Stromlinie 33 mit Ausblaseöffnun 32 dagegen auf dem Profilschnitt mit Ablöseblase bei Grenzschichtumschlag.
Wieder sollen die Öffnungen 31 und 32 so angeordnet sein, daß bei anliegender Strömung an beiden der gleiche Druck herrscht p31 = P32 Fig. 3b zeiqt die Druckverteilung 35 für die Umströmung bei Stromlinie 34; die Druckverteilung 36 für die Umströmung bei Stromlinie 33 und zeigt bei Öffnung 31 mit Koordinate Z31 und bei öffnun 32 mit Koordinate Z31 Druckgleichheit.
Bei Auftreten einer Ablöseblase 37 mit veränderter Umströmung entsprechend der wandnahen Stromlinie 38, siehe Fig. 3c, ergibt sich für den Schaufelschnitt bei Öffnung 32 eine Druckverteilung 39, siehe Fig. 3d, die sich geqenüber derjenigen ohne Ablösung, also Druckverteilung 36, Fig. 3b, so verändert hat, daß nunmehr bei Öffnung 32 ein um APD geringerer Druck herrscht, so daß Ausblasung im Bereich der Umschlaqblase auftritt, wobei Druckverteilung 35, voraussetzungsgemäß, die gleiche geblieben ist.
Vorzugsweise soll die Einlaßöffnung auf der wandnahen Stromlinie 34 die Form eines quer zur Stromlinie verlaufenden Langloches 31a aufweisen, wodurch eine Gruppe von Ausblasöffnungen 32 versorgt werden kann (vergleiche das Schrägbild 3e). T)amit verbunden ist vorteilhaftes Absaugen am wandnahen Schaufelschnitt.
Für eine Hohlschaufel können sich Saugseitengebiete ergeben, in denen quer zur Stromrichtung beabstandete Stomlinien im Gebiet der Saugseite und Ablösung die gleiche Druckverteilung haben. Ist die Druckverteilung von der Art wie in Fig. 1b angegeben, ergibt sich eine Anordnung wie in Fig. le gezeigt, wobei die Vielzahl der Überströmkanäle vorteilhaft durch den Hohlraum ersetzt sind. Ist die Druckverteilung wie in Fig. 2b angegeben, ergibt sich eine rein äußerlich gleiche Anordnung.
Allerdings erfolgt dann Einsaugen stromab und Ausblasen stromauf.
- Lee?seite -

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Beeinflussung der Strömung an Leit- oder Lauf schaufeln für Turbomaschinen durch Ausblasen oder Einsaugen von Strömungsfluid durch in der Saugseite quer zur Strdmungsrichtung verteilten und senkrecht zur Oberfläche der Saugseite mündende Öffnungen, die im Bereich der Ablösung einer sich bei kleinen Reynoldszahlen (Re # 100 000) ausbildenden laminaren Grenzschicht angeordnet sind und die mit stromaufwärts vor einem sich ausbildenden Druckminimum liegenden Öffnungen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der jeweils verbundenen Öffnungen in Strömungsrichtung so gewählt ist, daß bei hohen Reynoldszahlen (Re >200 000) und ablösungsfreier Umströmung der Saugseite der Schaufel an beiden verbundenen Öffnungen bzw. Gruppen von Öffnungen gleicher Druck herrscht, bei kleinen Reynoldszahlen (Re =100 000) dagegen eine Druckdifferenz Ap der Größe 0,05 q bis p 0,15q, wobei q der Staudruck der Abströmgeschwindigkeit (c) der Hauptströmung hinter der Schaufelaustrittskante ist und der Durchmesser (d) der Öffnungen den 30. bis 80. Teil der Profilsehnenlänge <1) der Schau-C#l fel aufweist, wobei Re = # (# = kinematische Zähigkeit des Strömunqsfluids).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils verbundenen Öffnungen (31, 32) im Bereich von Stromlinien liegen, die quer zur Strömungsrichtung beabstandet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste öffnung (31) bzw. eine erste Gruppe von Öffnungen im Bereich einer schaufelfußseitigen oder schaufelkopfseitigen Begrenzungsfläche eines von benachbarten Schaufeln gebildeten Schaufelkanals liegt während die mit ihr in Verbindung stehende zugehörige zweite Öffnung (32) bzw. zweite Gruppe von Öffnungen auf einer im mittleren Bereich des Schaufelkanals verlaufenden Stromlinie(n) liegt (liegen).
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Öffnungen über den Innenraum einer hohlen Schaufel (4) besteht.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wandnahe Öffnung die Form eines quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Langloches (31a) aufweist und mit einer Gruppe von zweiten Öffnungen (32) verbunden ist.