DE102008021053A1 - Reformed flow path of an axial flow machine to reduce secondary flow - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Axialströmungsmaschine mit einer Anzahl von eine Saugseite sowie eine Druckseite aufweisenden Schaufeln, die an ihren radial inneren und/oder äußeren Enden mit einer Nabe und/oder Außenwand verbunden sind. Die Nabe und/oder Außenwand begrenzen radial einen Strömungspfad zwischen jeweils zwei benachbarten Schaufeln. Die Außenseite der Nabe und/oder die Innenseite der Außenwand hat einen konvexen Abschnitt auf der Saugseite angrenzend an die Profilnase der Schaufel sowie einen konkaven Abschnitt unmittelbar stromab zum konvexen Abschnitt auf der Saugseite der Schaufel.The invention relates to a compressor and / or turbine stage of an axial flow machine with a number of suction side and a pressure side having vanes, which are connected at their radially inner and / or outer ends with a hub and / or outer wall. The hub and / or outer wall radially define a flow path between each two adjacent blades. The outside of the hub and / or the inside of the outer wall has a convex portion on the suction side adjacent to the nose of the blade and a concave portion immediately downstream of the convex portion on the suction side of the blade.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichter- und/oder Turbinenstufe einer Axialströmungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The present invention relates to a compressor and / or turbine stage an axial flow according to the Preamble of claim 1.
Verdichter- und/oder Turbinenstufen einer Axialströmungsmaschine auch gemäß der Erfindung bestehen aus einem Rotor und einem hierzu axial versetzten Stator mit jeweils einer Reihe von in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Schaufeln als Strömungsleitelemente, die an einer Nabe und/oder einer Außenwand, der sogenannten shroud, montiert sind. Jeder zwischen zwei benachbarten Schaufeln sich ausbildende Spalt bildet einen Strömungspfad für ein Arbeitsmedium, welcher durch die Nabe und/oder den shroud als jeweilige Strömungsendwand begrenzt wird.Compressor- and / or turbine stages of an axial flow machine as well According to the invention consist of a rotor and an axially staggered stator, each with a series of circumferentially equally spaced blades as Flow guide elements, which on a hub and / or a Exterior wall, the so-called shroud, are mounted. Everyone forming gap between two adjacent blades a flow path for a working medium, which through the hub and / or the shroud as the respective flow end wall is limited.
Während des Betriebs der Axialströmungsmaschine wird der vorstehend definierte Strömungspfad vom Strömungsmedium durchströmt. Hierbei entsteht nahe der jeweiligen Endwand eine Sekundärströmung, indem sich in der Grenzschicht längs der Endwand die Geschwindigkeit der Hauptströmung infolge der Wandreibung verringert und somit auch die durch die Schaufelkrümmung erzeugte Fliehkraft geringer wird als in der Mitte des Strömungspfads. In Folge dessen wird das Strömungsmedium an den Endwänden von der Druckseite der einen Schaufel zur gegenüberliegenden Saugseite der benachbarten Schaufel verdrängt. Diese Sekundärströmung fließt somit an der Druckseite der einen Schaufel von der Mitte des Strömungspfads zu der jeweiligen Endwand und an dieser von der Druckseite der einen Schaufel zur Saugseite der benachbarten Schaufel. Dabei sammelt sich das Strömungsmedium der Grenzschicht nahe der Endwand an, löst sich dann von der Endwand und strömt entlang der Saugseite zur Mitte des Strömungspfades hin. Dieses Phänomen wird im Stand der Technik als „passage vortex” bezeichnet. Hierbei gilt, dass je größer die Krümmung der Schaufel ist, desto größer wird der Druckgradient quer zum Strömungspfad, was zu einer erhöhten Sekundärströmungsgeschwindigkeit von der Druck- zur Saugseite führt.While the operation of the axial flow is the above defined flow path flows through the flow medium. This creates a secondary flow near the respective end wall, in the boundary layer along the end wall the velocity the mainstream is reduced as a result of wall friction and thus also the centrifugal force generated by the blade curvature becomes lower than in the middle of the flow path. As a result this becomes the flow medium at the end walls from the pressure side of one blade to the opposite Suction side of the adjacent blade displaced. This secondary flow thus flows on the pressure side of a blade of the Center of the flow path to the respective end wall and at this from the pressure side of a blade to the suction side of the adjacent shovel. The flow medium collects the boundary layer near the end wall, then dissolves from the end wall and flows along the suction side to the center of the flow path. This phenomenon will referred to in the art as "passage vortex". In this case, the larger the curvature the blade is, the larger the pressure gradient transverse to the flow path, resulting in an increased Secondary flow velocity from the pressure leads to the suction side.
Des Weiteren entsteht im Bereich der Profilnasen jeder Schaufel eine Sekundärströmung infolge eines sich Ablösens der Endwandgrenzschicht von der Endwand, in dem Augenblick, in dem das Strömungsmedium die Profilnase der jeweiligen Schaufel erreicht. Hierdurch entstehen Wirbelzöpfe längs der Druck- und der Saugseite der jeweiligen Schaufel, welche zusammen die äußere Form eines Hufeisens bilden. Diese Sekundärströmung wird daher auch allgemein als „horseshoe vortex” bezeichnet. Je größer die Profilnase dabei ist, desto ausgeprägter wird der „horseshoe vortex”, was letztlich in einen beträchtlichen Wirkungsgradverlust resultiert.Of Furthermore arises in the area of the profile noses of each blade one Secondary flow due to detachment the end wall boundary layer of the end wall, at the moment in which the flow medium reaches the profile nose of the respective blade. As a result, pegs are formed along the pressure and the suction side of the respective blade, which together the outer Form a horseshoe. This secondary flow is therefore commonly referred to as "horseshoe vortex". The larger the profile nose is, the more pronounced becomes the "horseshoe vortex", which ultimately results in results in a considerable loss of efficiency.
In Strömungspfaden mit dicken Schaufelquerschnitten und moderater Krümmung ist der „horseshoe vortex” die dominierende Sekundärströmung, wohingegen bei dünneren Schaufeln insbesondere in den letzten Stufen einer vorzugsweise als Niederdruckturbine ausgelegten Axialströmungsmaschine es der „passage vortex” ist, welcher maßgeblich zur Sekundärströmung beiträgt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die beiden vorstehend genannten Phänomene immer gleichzeitig in den einzelnen Stufen der Axialströmungsmaschine auftreten und sich dabei überlagern. Hierdurch entstehen Wirkungsgradverluste von bis zu 30%. Diese Überlagerungstendenz stellt im Stand der Technik ein wesentliches Problem dar, da die Modifikation des Strömungspfads insbesondere durch entsprechende Formung des Schaufelprofils zur Reduzierung des einen Phänomens eine nachteilige Wirkung auf das andere Phänomen haben kann.In Flow paths with thick blade cross-sections and more moderate Curvature is the "horseshoe vortex" the dominant secondary flow, whereas in Thinner blades, especially in the last stages of a preferably designed as a low-pressure turbine Axialströmungsmaschine it is the "passage vortex" which is authoritative contributes to the secondary flow. It has However, it turned out that the two phenomena mentioned above always simultaneously in the individual stages of the axial flow machine occur and overlap. This results Efficiency losses of up to 30%. This superposition tendency represents a major problem in the prior art, as the Modification of the flow path in particular by appropriate Shaping the blade profile to reduce one phenomenon have an adverse effect on the other phenomenon can.
Nicht achssymmetrische Endwandkonturen erlauben es im Gegensatz zu entsprechenden Schaufelprofiländerungen jedoch, die Sekundärströmung nachhaltig positiv zu beeinflussen, da hierdurch das Strömungsfeld lokal auf unterschiedlichste Weise verändert werden kann. Daher wird im Stand der Technik durch gezielte Konturierung lediglich der Endwandflächen positiven Einfluss auf der „passage vortex” oder den „horseshoe vortex” genommen, um diese im Einzelnen zu verringern. Es ist zudem bekannt, sowohl den „passage vortex” als auch den „horseshoe vortex” gleichzeitig zu beeinflussen und so die Interaktion beider Phänomene zu nutzen, um die Sekundärströmung im Gesamten zu reduzieren.Not Axially symmetrical end wall contours allow it, in contrast to corresponding blade profile changes however, the secondary flow is sustainably positive to influence, as this causes the flow field locally different way can be changed. Therefore, will in the prior art by targeted contouring only the end wall surfaces positive influence on the "passage vortex" or taken the "horseshoe vortex" to this in detail to reduce. It is also known both the "passage vortex "as well as the" horseshoe vortex "at the same time to influence and so the interaction of both phenomena to use the secondary flow in the whole to reduce.
Als
ein Stand der Technik bei der Konturierung von Endwänden
zur Verringerung schädlicher Sekundärströmungen
sei beispielsweise die
Durch die besondere Konturierung der Endwand gemäß dem genannten Stand der Technik wird eine lokale Beschleunigung eines Teils der Endwandgrenzschicht erreicht. Diese Beschleunigung unterstützt die Tendenz des Strömungsmediums, der Oberfläche der Schaufel auf der Druckseite zu folgen, ohne sich von dieser abzulösen. Die Entstehung des allgemein bekannten „horseshoe vortex” kann so verzögert bzw. vermieden werden.Due to the special contouring of the end wall according to the cited prior art, a local acceleration of a part of the end wall boundary layer is achieved. This acceleration aids the tendency of the flow medium to follow the surface of the blade on the pressure side without giving in to it. The emergence of the well-known "horseshoe vortex" can be delayed or avoided.
Angesichts des genannten Stands der Technik ist es jedoch nach wie vor die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aerodynamischen Verluste einer Axialströmungsmaschine infolge von Sekundärströmungen weiter zu verringern.in view of of the cited prior art, however, it is still the Object of the present invention, the aerodynamic losses an axial flow machine due to secondary flows continue to decrease.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strömungspfad-Konturierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a flow path contouring solved with the features of claim 1.
Der Kern der Erfindung besteht folglich in der Ausbildung eines konvexen Abschnitts auf zumindest einer Endwand angrenzend an die (im Bereich der) Saugseite nahe der Profilnase der einen Schaufel, (unmittelbar) in Strömungsrichtung gefolgt von einem konkaven Abschnitt längs der Saugseite der einen Schaufel. Der konvexe Abschnitt kann durch einen Übergang zu einer Mulde oder zusätzlich als Erhebung erzeugt werden, während der konkave Abschnitt in einer Mulde vorzufinden ist. Der konvexe Abschnitt beeinflusst den „horseshoe vortex”, indem der statische Druck, welcher eine Strömung des Mediums von der Druckseite zur Saugseite der einen Schaufel begünstigt, lokal verringert wird, wodurch der druckseitige Arm bzw. Wirbelzopf des „horseshoe vortex” abgeschwächt wird. Der im Gegenzug sich verstärkende saugeitige Arm bzw. Wirbelzopf des „horseshoe vortex” kann dem „passage vortex” entgegenwirken, welcher wiederum durch den quer von Druckseite der benachbarten Schaufel zur Saugseite der einen Schaufel verlaufenden Druckgradienten begünstigt wird. Des Weiteren bewirkt die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit im vorstehend definierten konkaven Abschnitt einen lokalen Anstieg des statischen Drucks im Bereich der Saugseite der einen Schaufel (und damit eine Verkleinerung des Druckgradienten), was zusätzlich zur Abschwächung des „passage vortex” beiträgt.Of the The core of the invention is therefore in the formation of a convex Section on at least one end wall adjacent to the (in the area the suction side near the profile nose of a blade, (immediately) in the flow direction followed by a concave section along the suction side of a blade. The convex section can be through a transition to a trough or in addition be generated as a survey, while the concave section to be found in a hollow. The convex section influences the "horseshoe vortex" by the static pressure, which a flow of the medium from the pressure side to Suction side of a blade favors locally reduced which weakens the pressure-side arm or spinal cord of the "horseshoe vortex" becomes. In turn, the reinforcing sucking arm or vortex braid of the "horseshoe vortex" can the "passage Vortex "counteract, which in turn through the transverse from the pressure side of the adjacent blade to the suction side of the one Bucket extending pressure gradient is favored. Furthermore, the reduction causes the flow velocity in the above-defined concave portion, a local increase of static pressure in the area of the suction side of a blade (and thus a reduction of the pressure gradient), what additional contributes to the weakening of the "passage vortex".
Es hat sich ferner gezeigt, dass die günstigste bzw. effektivste Konfiguration der erfindungsgemäßen Konturierung der Endwand darin besteht, den konkaven Abschnitt vorzugsweise stromauf zu dem Bereich der max. Saugseitenkrümmung der einen Schaufel beginnen zu lassen. Weiter vorzugsweise sollte der konkave Abschnittsteil stromauf zu diesem Bereich axial größer sein als der konkave Abschnittsteil stromab zu diesem Bereich, während der Endwandbereich um die Profilnase konvex (erhöht) sein muss.It has also shown that the cheapest or most effective Configuration of the contouring according to the invention the end wall therein is preferably the concave portion upstream to the range of max. Suction side curvature of a blade to start. Further preferably, the concave section part should axially upstream of this region than the concave portion portion is downstream of this area while the end wall area around the profile nose must be convex (raised).
Hierfür ist es besonders günstig, wenn der konvexe Abschnitt auf der Saugseite der einen Schaufel bereits stromauf zu deren Profilnase beginnt und kurz nach der Profilnase endet. Hierdurch wird vermieden, dass die aerodynamische Belastung des vorderen Schaufelbereichs übergebührlich ansteigt, was sich nachteilig auf den vorstehend beschriebenen Effekt durch die Endwandkonturierung auswirken kann.Therefor It is especially favorable if the convex section is on the suction side of a blade already upstream of the profile nose begins and ends shortly after the profile nose. This avoids that the aerodynamic loading of the front blade area is excessive increases, which is detrimental to the effect described above through the Endwandkonturierung can affect.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße konkave Abschnitt im Bereich der Saugseite der einen Schaufel mit einer Erhöhung im vorderen Bereich der Druckseite der benachbarten Schaufel kombinierbar ist, wie dies bereits per se aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt ist.At It should be noted that the one described above inventive concave section in the area the suction side of a scoop with an increase in the front region of the pressure side of the adjacent blade combined is, as already mentioned per se from the cited state of Technique is known.
Schließlich kann der Endwandeinlassbereich optional eine nicht achssymmetrische Form erhalten, wodurch der konvexe Abschnitt auf der Saugseite der einen Schaufel bezüglich seiner Dimensionierung verringert werden kann. In diesem Fall kann auch die Position des nachfolgenden konkaven Abschnitts im Bereich der Saugseite der einen Schaufel in Richtung zur Profilnase vorgerückt werden. Diese Maßnahme trägt zusätzlich zur aerodynamischen Entlastung des vorderen Schaufelbereichs bei.After all For example, the endwall inlet region may optionally be non-axisymmetric Form obtained, whereby the convex section on the suction side of the one Bucket be reduced in terms of its dimensions can. In this case, the position of the subsequent concave Section in the area of the suction side of a blade towards the Profile nose are advanced. This measure contributes in addition to the aerodynamic relief of the front Bucket area at.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the rest Dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings closer explained. Show it:
In
Jede
der dargestellten Schaufeln
Gemäß dem
vorstehend beschriebenen konstruktiven Aufbau liegt die Druckseite
Wie
nunmehr in
Dieser
konkave Abschnitt
Schließlich
ist auf der Druckseite
Demzufolge
erstreckt sich der konkave Abschnitt
In
Wie
aus der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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