DE102006057063B3

DE102006057063B3 - Stator-Stufe eines Axialverdichters einer Strömungsmaschine mit Querlamellen zur Wirkungsgradsteigerung

Info

Publication number: DE102006057063B3
Application number: DE102006057063A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr. Hage; Robert Dr. Meyer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: EP1927723A1; EP1927723B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stator-Stufe eines Axialverdichters einer Strömungsmaschine umfassend mindestens eine Statorschaufel (1), die eine Saugseite (1a) und eine Druckseite (1b) umfasst, wobei sich von mindestens einer Wand (2; 2a, 2b), an die die Statorschaufel (1) angrenzt, beabstandet zu der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) mindestens eine Querlamelle (3) in ein Strömungsvolumen (7) erstreckt. Die an der Wand (2; 2a, 2b) angeordneten Querlamellen (3, 3') beeinflussen eine sich an der Wand (2; 2a, 2b) ausbildende Sekundärströmung (4b) von einer benachbarten Statorschaufeldruckseite (1b') zu einer Saugseite (1a) der mindestens einen Statorschaufel (1) positiv, so dass ein Totaldruckverlustbeiwert verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stator-Stufe eines Axialverdichters einer axialen Strömungsmaschine, die mindestens eine Statorschaufel umfasst, die eine Saugseite und eine Druckseite umfasst.
In axialen Strömungsmaschinen werden alternierend Rotor- und Stator-Stufen in einem Axialverdichter verwendet. In einem Axialverdichter, wie er beispielsweise in einer Gasturbine verwendet wird, wird versucht, in jeder Stufe einen möglichst hohen Druckaufbau zu erhalten. Angepasst an diesen Zweck wird eine Profilauslegung von Statorschaufeln vorweggenommen. Das Profil wird so festgelegt, dass eine sich ausbildende Strömung auf den Statorschaufeln in einem einer Auslegung entsprechenden Arbeitsbereich anliegend bleibt. Die Schaufeln werden jedoch seitlich durch Wände, eine ein Gehäuse bildende Außenwand und eine eine Nabe bildende Innenwand begrenzt. Auf diesen Wänden bilden sich relativ dicke Grenzschichten aus, besonders im Mittel- und Hochdruckverdichterbereich. Aus Messungen, die von J. Hübner, "Experimentelle und theoretische Untersuchungen der wesentlichen Einflussfaktoren auf die Spalt- und Sekundärströmungen in Verdichtergittern" in einer Dissertation, Universität der Bundeswehr, München, 1996, und U. Stark und S. Bross, "Endwall boundary separations and loss mechanisms in two compressor cascades of different stagger angle" AGARD-CP 571, Paper 1, 1996, veröffentlicht sind sowie auf Basis einer semi-empirischen Theorie von Diffusoren, die von H. Fernholz, "Eine grenzschicht-theoretische Untersuchung optimaler Unterschalldiffusoren", Ingenieur-Archiv, 35. Band, 3. Heft, Seite 192–201, 1966, veröffentlicht ist, zeigt sich klar, dass es bei den vorhandenen Druckanstiegen und Grenzschichtdicken in Stator-Stufen von Axialverdichtern nicht mehr möglich ist, eine anliegende Strömung auf den Seitenwänden zu erhalten.
Eine Möglichkeit, eine Ablösung weitestgehend zu vermeiden, besteht darin, eine Kontraktion der Seitenwände vorzusehen, wie es von J. Hübner an dem o. a. Ort vorgeschlagen ist. Eine solche Kontraktion der Seitenwände führt jedoch dazu, dass ein Teil des erwünschten Druckaufbaus verloren geht.
Durch eine Entlastung des wandnahen Schaufelbereichs, z. B. durch eine Verwindung, eine Profiländerung und/oder eine Krümmung der Schaufel, kann eine Wandablösung ebenfalls vermieden oder reduziert werden. Ein solches Vorgehen hat jedoch hinsichtlich des Druckaufbaus ebenfalls nachteilige Folgen und/oder ändert ein Strömungsverhalten außerhalb eines optimalen Arbeitspunktes des Verdichters nachteilig.
Bei H. Scheugenpflug, "Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Reduzierung der Randzonenverluste hochbelasteter Axialverdichter durch Grenzschichtbeeinflussung", Dissertation, Universität der Bundeswehr, München, 1990, ist ausgeführt, dass man durch tangentiales Ausblasen der Seitenwandgrenzschicht die durch Reibung verloren gegangene Energie wieder zuführen kann. Dazu muss jedoch Zapfluft von höheren Stufen des Verdichters verwendet werden. Auch durch Absaugung lassen sich Strömungsablösungen vermeiden. Zu beachten ist hierbei, dass eine Gesamtenergiebilanz, die einen Wirkungsgrad-Gewinn und einen Verlust durch ein Ausblasen/Entnehmen von Zapfluft bzw. durch eine Absaugung umfasst, insgesamt positiv ausfällt, d. h., ein Wirkungsgrad des Axialverdichters ist insgesamt gesteigert.
Eine weitergehende Übersicht über den Stand der Technik hinsichtlich der Auslegung von Axialverdichtern kann man bei A. Wennerstrom (Herausgeber) et al., "Secondary flows in Turbomachines" AGARD Conference proceedings, No. 469, 1989, und H. Prümper, " Application of boundary layer fences in turbomachinery" AGAROgraph, No. 164, Paper II-3, 1972 finden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 1 937 395 A sind Leit- und Laufradgitter für axiale, diagonale oder radiale Turbomaschinen bekannt, bei denen auf den kanalbegrenzenden Wänden zwischen den Profilen ein oder mehrere Leitbleche oder dünne Profile im Bereich einer verzögerten wandnahen Fluidschicht angebracht sind, um Sekundärströmungen zu vermeiden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 2 135 286 A sind ebensolche Leit- und Laufradgitter für Turbomaschinen beschrieben. Dort ist hervorgehoben, dass auf den kanalbegrenzenden Wänden zwischen je zwei Schaufeln in der Nähe der Saugseite jeder Schaufel nur ein Leitelement abgebracht sein soll, dessen Tiefe dem etwa 1,1-fachen Betrag einer örtlichen Grenzschichtdicke entspricht. Dies bedeutet, dass die Leitelemente oder Leitfläche, welche auch als Querlamellen bezeichnet werden, sich etwa um einen 1,1-fachen Betrag einer örtlichen Grenzschichtdicke von der Wand aus in einen Strömungskanal erstrecken. Ein Vorsehen mehrere Leitelemente zwischen zwei Schaufeln wird als nicht optimal bezeichnet.
Aus der EP 0 978 632 A1 ist eine Turbomaschine mit Zwischenschaufeln als Strömungsleitelementen bekannt. Dort ist zur Verminderung von sekundärströmungsbedingten Verlusten einer Fluidströmung durch einen beschaufelten Strömungskanal einer Turbomaschine vorgesehen, zwischen zwei Vollschaufeln an zumindest einer strömungsbegrenzenden Seitenwand zumindest eine Zwischenschaufel anzuordnen. Eine Tiefe der Zwischenschaufel ist geringer als eine Tiefe der Vollschaufeln, die sich von einer Begrenzungswand zu einer gegenüberliegenden Begrenzungswand erstrecken. Ebenso ist eine Profildicke wesentlich dünner als die einer Vollschaufel. Ein saugseitiges Profil der Zwischenschaufel ist bevorzugt in gleicher Weise konturiert wie das saugseitige Profil der Vollschaufel. Durch die Anordnung der Zwischenschaufel wird der Schaufelkanal lokal in Teilkanäle unterteilt und eine Vorderkante (Schaufelnase) der Zwischenschaufeln ist gegenüber den Vorderkanten (Schaufelnasen) der Vollschaufeln bevorzugt (in Strömungsrichtung) zurückversetzt. Die Hinterkante der Zwischenschaufel ist gegenüber den Hinterkanten der Vollschaufeln bevorzugt vorversetzt, das heißt, entgegen einer Hauptströmungsrichtung versetzt.
Aus der US 3,039,736 A ist eine Turbomaschine mit einer Umlenkpassage bekannt, die zwischen zwei benachbarten Schaufeln und Begrenzungsoberflächen ausgebildet ist. Zum Reduzieren einer sekundären Strömung eines Grenzschichtfluids ist mindestens ein von der Begrenzungsfläche des Strömungskanals vorspringender Zaun vorgesehen. Eine Tiefe, mit der der Zaun in die Passage hineinragt, gleicht etwa einer Dicke der lokalen Grenzschicht. Die vorspringende Tiefe des Zauns nimmt mit einem Abstand entlang der Sehne mit einer Rate zu, die ausreichend ist, um die stetige Zunahme des Grenzschichtfluids entlang des Zauns einzugrenzen.
Insgesamt ist festzustellen, dass in Axialverdichtern ca. 60% der Verluste durch Strömungsablösungen an den Wänden von Gehäuse und Nabe verursacht werden. Der starke Druckanstieg in einer Verdichterstufe und die dort üblichen Grenzschichtdicken an diesen Seitenwänden führen zwangsläufig an diesen Stellen zu Strömungsablösungen.
Der Erfindung liegt somit die technische Aufgabe zugrunde, eine Verdichterstufe für einen Axialverdichter einer Strömungsmaschine zu schaffen, bei der die Verluste, insbesondere aufgrund von Strömungsablösungen an den Wänden, reduziert sind, d. h., eine Wirkungsgradsteigerung erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Stator-Stufe eines Axialverdichters einer Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Erreichung einer Wirkungsgradsteigerung ist vorgesehen, dass sich bei einer Stator-Stufe eines Axialverdichters einer Strömungsmaschine, die mindestens eine Statorschaufel umfasst, welche wiederum eine Saugseite und eine Druckseite umfasst, sich von mindestens einer Wand, an die die Statorschaufel angrenzt, beabstandet zu der Saugseite der Statorschaufel mehrere Querlamellen in ein Strömungsvolumen erstrecken, wobei Querlamellen-Sehnenlängen der mehreren Querlamellen mit einem Abstand von der Saugseite der Statorschaufel abnehmen. Dies bedeutet, dass die der Saugseite der Statorschaufel am nächsten liegende Querlamelle eine größte Querlamellen-Sehnenlänge aufweist und die am weitesten von der Saugseite der Statorschaufel entfernte Querlamelle die kürzeste Querlamellen-Sehnenlänge aufweist. Das Strömungsvolumen ist jenes Volumen der Stator-Stufe, durch das ein Fluid im Betrieb strömt. Solche Querlamellen, die beabstandet zu der Saugseite einer Statorschaufel zwischen zwei benachbarten Statorschaufeln an einer Wand angeordnet sind und in der Lage sind, eine sich dort ausbildende Sekundärströmung von einer Druckseite einer benachbart angeordneten Statorschaufel zu der Saugseite der mindestens einen Statorschaufel so zu beeinflussen, dass eine Ausdehnung der Ablösung verringert wird und hierdurch ein Widerstand bzw. Verlust aufgrund der Sekundarströmung entlang der mindestens einen Wand verringert wird. Ferner wird durch die mehreren Querlamellen erreicht, dass eine durch die Sekundarströmung geförderte Eckenablösung an der an die mindestens eine Wand angrenzenden, in Hauptströmungsrichtung hinteren Ecke der Statorschaufel-Saugseite verringert wird, was ebenfalls zu einer Senkung der Wirkungsgradverluste führt. Die mehreren Querlamellen umfassen mindestens eine Querlamelle und weitere Querlamellen.
Durch ein Vorsehen der Querlamellen können wesentlich höhere Druckanstiege entlang der Wand "ertragen werden", ohne dass eine nachteilige Ablösung der Strömung auftritt. Dies bedeutet, dass bei vorgegebenem Druckaufbau eine wesentlich verkürzte Strecke hierfür ausreicht, ohne dass größere Verluste auftreten. Hierdurch wird es möglich, kompaktere Statorverdichterstufen zu erstellen. Mit den Querlamellen an der Wand wird somit die Ablösung auf den Seitenwänden und ebenso auf der Saugseite der Schaufeln des Verdichtergitters, insbesondere somit eine Eckenablösung, vermindert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querlamellen eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite umfassen, deren Oberflächennormalen zu einer Oberflächennormale der mindestens einen Wand einen Winkel zwischen 70° und 110°, bevorzugter zwischen 85° und 95° und am bevorzugtesten von 90° bilden. Dies bedeutet, dass sich die Querlamellen von der Wand jeweils vorzugsweise in radialer Richtung in das Strömungsvolumen erstrecken. Hierdurch wird gewährleistet, dass die sich parallel zur Wandoberfläche ausbildende Sekundarströmung bestmöglich in ihrer Ausbreitung gehindert wird.
Einen besonders geringen zusätzlichen Strömungswiderstand aufgrund der Querlamellen erhält man, wenn die erste Seite der Querlamellen eine Oberflächenkrümmung aufweist, die der Oberflächenkrümmung der Saugseite der mindestens einen Statorschaufel entspricht.
Als ebenso vorteilhaft hat es sich herausgestellt vorzusehen, dass die zweite Seite der Querlamellen eine gleiche Oberflächenkrümmung wie die erste Seite aufweist. Dies bedeutet, dass die Querlamellen bei dieser Ausführungsform eine parallel zueinander ausgerichtete erste und zweite Seite aufweisen, die jeweils eine Oberflächenkrümmung aufweisen, die der der Statorschaufel entspricht, den die Statorschaufel in dem entsprechenden Bereich angrenzend an die mindestens eine Wand aufweist. Die Querlamellen sind bevorzugt so ausgerichtet, dass die Oberfläche der Saugseite der mindestens einen Statorschaufel durch Rotationen um eine zentrale Achse der Verdichterstufe mit der ersten Seite der Querlamellen zur Deckung gebracht werden kann. Die Querlamelle bzw. die erste Seite jeder Querlamelle kann somit als ein Oberflächenausschnitt der Statorschaufel angesehen werden, die entlang der Wand um einen Azimutalwinkel um die zentrale Achse des Axialverdichters verdreht angeordnet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Querlamellen eine der Anströmung einer Hauptströmung zugewandte vordere Kante und eine gegenüberliegende hintere Kante, eine an die mindestens eine Wand angrenzende Außenkante sowie eine in das Strömungsvolumen hineinragende, der Außenkante gegenüberliegende Innenkante auf, wobei eine maximale Querlamellen-Sehnenlänge, gemessen von der vorderen Kante zu der hinteren Kante, größer als eine maximale Querlamellentiefe, gemessen von der Außenkante zu der Innenkante, ist. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Querlamellen ungefähr an eine Ausdehnung des Sekundärströmungsgebiets angepasst sind. Hierdurch kann eine effektive Beeinflussung der Sekundärströmung durchgeführt werden.
Da sich die Sekundärströmung entlang der mindestens einen Wand nicht über die gesamte Profillänge des Statorflügelprofils ausbildet, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Querlamellen-Sehnenlänge der der Saugseite am dichtesten benachbarten der mehreren Querlamellen zwischen 30% bis 70%, bevorzugter zwischen 40% und 60% und am bevorzugtesten 50% einer Statorprofilsehnenlänge beträgt. In der Regel reicht es aus, wenn die Querlamelle mit der maximalen Querlamellen-Sehnenlänge eine Querlamellen-Sehnenlänge von 50% einer Statorprofilsehnenlänge aufweist, um die Sekundärströmung optimal zu beeinflussen und fügt keinen "unnötigen", über die positive Wirkung hinausgehenden Strömungswiderstand zu der Verdichterstufe hinzu.
Eine Kontur der Querlamellen ist jeweils vorzugsweise so ausgebildet, dass eine vordere und innere Kontur der Querlamelle einem Stromlinienverlauf der Hauptströmung, beabstandet zu der Wand, angenähert ist und/oder ihr entspricht. Hierdurch wird erreicht, dass die Querlamelle von der Hauptströmung möglichst günstig umströmt wird und keinen zusätzlichen Strömungswiderstand oder einen möglichst geringen zusätzlichen Strömungswiderstand liefert. Die vordere Kontur ist der Hauptströmungsrichtung zugewandt. Die innere Kontur ragt in das Strömungsvolumen, d. h. in eine Passage zwischen den Statorflügeln, hinein.
Eine gute Annäherung erhält man bei einer Querlamelle, bei der zwischen der vorderen Kante und der Innenkante eine abgeschrägte Kante ausgebildet ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausführungsform herausgestellt, bei der eine der mehreren Querlamellen von der Saugseite der Statorschaufel und die mehreren Querlamellen voneinander jeweils einen äquidistanten Abstand aufweisen. Dies bedeutet, dass die Querlamellen zueinander und von der Statorschaufel in azimutaler Richtung äquidistant beabstandet sind. Das Gebiet entlang der Wand wird somit in mehrere Zonen unterteilt, hierdurch wird ein Druckausgleich entlang der Wand zwischen den verschiedenen Zonen unterbunden. Als vorteilhaft hat sich eine Querlamellenzahl zwischen 2 und 10 herausgestellt.
Andere Ausführungsformen können eine nicht äquidistante Anordnung der Querlamellen vorsehen.
Als optimaler äquidistanter Abstand hat sich ein Abstand zwischen 3% und 7%, bevorzugter zwischen 4% und 6% und am bevorzugtesten von 5% einer Profillänge der Saugseite der Statorschaufel herausgestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querlamellentiefe der mehreren Querlamellen eine gleiche maximale Querlamellentiefe aufweist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Querlamellentiefe der mehreren Querlamellen mit einem Abstand von der Saugseite der Statorschaufel abnimmt.
Die Ausgestaltung der Stator-Stufe ist besonders vorteilhaft, wenn sich zusätzlich aus einer der mindestens einen Wand gegenüberliegenden Wand, an die die mindestens eine Statorschaufel ebenfalls angrenzt, eine oder mehrere zusätzliche Querlamellen erstrecken. Dies bedeutet, dass die mindestens eine Wand sowohl eine Außenwand als auch eine Nabe darstellen kann. Optimalerweise sind jedoch sowohl an der die Nabe bildenden Wand als auch der Außenwand Querlamellen angeordnet.
Die Anordnung der Querlamellen erfolgt vorzugsweise so, dass jeweils die hintere Kante der mehreren Querlamellen und/oder der zusätzlichen Querlamellen mit einer entsprechenden hinteren Kante der Statorschaufel in axialer Richtung der Strömungsmaschine abschließen. Die Sekundärströmung bildet sich zwischen den Statorschaufeln aus. Dies bedeutet, dass in axialer Richtung hinter den Statorschaufeln keine durch quer zur Ausbreitungsrichtung der Sekundärströmung angeordnete Querlamellen vorgesehen sein müssen. Werden hingegen die Querlamellen so angeordnet, dass ihre hintere Kante nicht mit der Kante des Profils der Statorschaufel abschließt, sondern in Hauptströmungsrichtung vor der Statorschaufelhinterkante "enden", so kann sich zumindest ein Teil der Sekundarströmung so ausbilden, dass eine Eckenablösung unerwünschterweise unterstützt wird.
Besonders bevorzugt werden die mehreren Querlamellen innerhalb eines Volumens angeordnet, in dem sich eine von der Druckseite einer benachbart angeordneten weiteren Statorschaufel zu der Saugseite der mindestens einen Statorschaufel gerichtete, durch Wandablösung verursachte Sekundarströmung zu der Hauptströmung in einem einer Auslegung der Strömungsmaschine entsprechenden Betrieb ausbildet, wobei die mindestens eine Querlamelle und/oder die weiteren Querlamellen quer zu der Sekundarströmung ausgerichtet sind. Die Ausrichtung der Lamellen quer zu dieser Sekundarströmung ist ursächlich für die Bezeichnung der Lamellen als Querlamellen. Hierbei ist quer nicht nur im Sinne von 90° zu verstehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Ansicht experimentell sichtbar gemachter Strömungslinien entlang einer Seitenwand einer Stator-Stufe eines Axialverdichters nach dem Stand der Technik,
2 eine Darstellung einer Druckverteilung, die mit der in 1 dargestellten Stator-Stufe korrespondiert nach dem Stand der Technik,
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Stator-Stufe nach dem Stand der Technik,
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Stator-Stufe mit Querlamellen, die die gleiche Querlamellen-Sehnenlänge aufweisen,
5 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Stator-Stufe eines Axialverdichters mit Querlamellen, die eine unterschiedliche Querlamellen-Sehnenlänge und eine unterschiedliche Querlamellentiefe aufweisen,
6 einen schematischen Ausschnitt eines Schnitts durch eine mit der Ausführungsform nach 4 korrespondierenden Stator-Stufe,
7 einen Ausschnitt einer Schnittzeichnung durch eine schematische Stator-Stufe einer Ausführungsform nach 5,
8, 9 schematische Darstellungen einer druckgetriebenen Ablösung an einer ebenen Wand ohne Querlamellen und mit Querlamellen; und
10 eine grafische Darstellung des Totaldruckverlustbeiwerts, aufgetragen gegen eine relative Schaufelhöhe für eine axiale Statorverdichterstufe mit und ohne Querlamellen.
In 3 ist schematisch ein Ausschnitt einer Stator-Stufe eines Axialverdichters nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Stator-Stufe umfasst mindestens eine Statorschaufel 1. Benachbart zu der mindestens einen Statorschaufel 1 ist eine weitere Statorschaufel 1' angeordnet. Die mindestens eine Statorschaufel 1 und die benachbarte Statorschaufel 1' grenzen jeweils an eine eine Außenwand bildende Wand 2 an. Eine Strömungsrichtung einer Hauptströmung 4 ist mittels Doppelpfeilen angedeutet. Bei dieser Stator-Stufe nach dem Stand der Technik wächst eine Dicke einer Wandgrenzschicht 4c im Bereich der Statorschaufel 1 bzw. benachbarten Statorschaufel 1' an. Dies hat seine Ursache darin, dass die Hauptströmung 4 durch eine Profilierung der Statorschaufel 1 bzw. benachbarten Statorschaufel 1' verzögert wird. Zusätzlich kommt es zwischen der benachbarten Statorschaufel 1' und der Statorschaufel 1 zu einer Sekundarströmung 4b, die sich entlang der Wand 2 von einer Druckseite 1b der benachbarten Statorschaufel 1 zu einer Saugseite 1a der mindestens einen Statorschaufel ausbildet. Durch diese Sekundarströmung 4b wird eine weitere Sekundärströmung 4d bzw. eine hiervon in einer Ecke 5 verursachte Eckenablösung der Strömung begünstigt und verstärkt. Die Eckenablösung findet auf der Saugseite der Statorschaufel 1 in einem der Anströmung der Hauptströmung 4 abgewandten, an die Wand 2 angrenzenden Ecke 5 statt. Dieses Strömungsverhalten einer Stator-Stufe nach dem Stand der Technik, das sich entlang der Wand 2 ausbildet, ist experimentell in 1 dargestellt.
Eine Hauptachse der Strömungsmaschine ist parallel zu der Darstellungsebene orientiert. Zu erkennen sind Profile von drei Statorschaufeln 1, 1', 1''. Die Hauptanströmungsrichtung erfolgt von links unten nach rechts oben. Diese Strömungsrichtung, die von einer axialen Richtung der Strömungsmaschine abweicht, ist durch eine der Stator-Stufe vorgelagerte Rotorstufe verursacht. Anhand von visualisierten Strömungslinien 4a ist in 1 zu erkennen, dass es in einer Passage 6 zwischen den Statorflügeln 1 zu einer Strömungsablösung kommt.
In 2 ist eine mit 1 korrespondierende schematische Darstellung einer Wanddruckverteilung einer Stator-Stufe nach dem Stand der Technik dargestellt. In dieser Darstellung sind lediglich zwei Statorflügel 1, 1' dargestellt. Mittels gestrichelter Linien sind Linien konstanten statischen Drucks cp kleiner 0 eingetragen und mittels durchgezogener dünner Linien die Linien konstanten positiven Drucks. Die in Fettdruck dargestellte und mit SL bezeichnete Linie stellt eine Ablöselinie dar. Die Anströmungsrichtung der Hauptströmung 4 ist mittels eines Pfeils angedeutet. Zu erkennen ist, dass die Ablöselinie SL schräg zur Hauptströmungsrichtung verläuft. Entgegen einer sonst in der Strömungsdynamik bekannten zweidimensionalen Strömungsablösung mit Totwasser und Rückströmung gibt es hier vielmehr eine starke wandnahe Strömung 4b im Ablösegebiet hinter der SL-Ablöselinie (siehe 1). Diese wandnahe Strömung transportiert Fluid im Ablösegebiet von einer Druckseite 1b' der benachbarten Schaufel 1' zu der Saugseite 1a der Schaufel 1. Ungefähr an der Stelle, an der die SL-Ablöselinie die Saugseite der Statorschaufel 1 trifft, bildet sich die Eckenablösung, die im Zusammenhang mit 3 bereits erörtert wurde. Die Strömungsablösungen an der Wand und an der Ecke der Statorschaufel liefern einen Hauptbeitrag zu so genannten "Randzonenverlusten". Versuche im Stand der Technik, die Eckenablösung auf der Saugseite der Statorschaufel 1 durch so genannte Grenzschichtzäune zu vermeiden, waren bisher bei Axialverdichtern erfolglos. Zwar konnte eine Strömungsablösung auf der Saugseite der Statorschaufel reduziert werden, im Gegenzug wurde jedoch die Ablösung an der Seitenwand intensiviert.
In 4 ist schematisch ein Ausschnitt einer Stator-Stufe eines Axialverdichters dargestellt, bei der beabstandet von der Saugseite 1a der Statorschaufel 1 eine Querlamelle 3 und weitere Querlamellen 3' angeordnet sind, die sich von der Wand 2 in ein Strömungsvolumen 7 erstrecken. Die Querlamelle 3 und die weiteren Querlamellen 3' sind entlang einer Azimutalrichtung 8 von einer Saugseite 1a der Statorschaufel 1 und voneinander jeweils äquidistant beabstandet.
Die Querlamelle 3 und die weiteren Querlamellen 3' weisen jeweils eine erste Seite 3a bzw. 3a' und eine gegenüberliegende Seite 3b bzw. 3b' auf. Diese weisen jeweils eine Krümmung auf, die der Oberflächenkrümmung der Saugseite 1a der Statorschaufel 1 entsprechen. In erster Näherung sind somit die erste Seite 3a und die zweite Seite 3b zueinander parallel, wenn man annimmt, dass eine Lamellenstärke klein gegen einen radialen Durchmesser bzw. eine Statorschaufelhöhe der Axialverdichterstufe ist. Zumindest für die erste Seite 3a gilt vorteilhafterweise, dass eine Oberfläche der Saugseite 1a der Statorschaufel 1 durch eine virtuelle Rotation entlang der Azimutrichtung 8 um die zentrale Achse der Strömungsmaschine zur Deckung mit der ersten Seite 1a gebracht werden kann. Die Lamellen 3 und weiteren Lamellen 3' weisen ferner eine der Hauptströmung 4 zugewandte vordere Kante 3c, 3c' und eine gegenüberliegende Kante 3d, 3d' auf. Zwischen der vorderen Kante 3c, 3c' und der hinteren Kante 3d, 3d' können eine maximale Querlamellen-Sehnenlänge 3g bzw. 3g' ermittelt werden. Die Querlamelle 3 bzw. die weiteren Querlamellen 3' weisen ferner einer der Außenwand zugewandte Außenkante 3e bzw. 3e' und eine in das Strömungsvolumen 7 hineinragende Innenkante 3f bzw. 3f' auf. Zwischen der Außenkante 3e und der Innenkante 3f kann jeweils eine Querlamellentiefe 3h bzw. 3h' ermittelt werden. Die Lamellen sind so ausgestaltet, dass eine maximale Querlamellen-Sehnenlänge 3g, 3g' größer als eine maximale Querlamellentiefe 3h, 3h' ist. Ferner sind bei der Ausführungsform nach 4 die Querlamelle 3 und die weiteren Querlamellen 3' so ausgebildet, dass sie jeweils die gleiche Querlamellen-Sehnenlänge 3g, 3g' und die gleiche Querlamellentiefe 3h, 3h' aufweisen. Ferner sind die Querlamellen 3, 3' so ausgebildet, dass jeweils die vordere Kante 3c, 3c' und die Innenkante 3f, 3f' durch eine angeschrägte Kante 3i, 3i' miteinander verbunden sind. Dies bedeutet, dass eine "vordere innere Ecke" der Querlamellen 3, 3' angeschrägt ist. Dieses bewirkt eine Anpassung an einen Strömungslinienverlauf der Hauptströmung 4 benachbart zu den Querlamellen 3, 3'.
In 6 ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittszeichnung durch eine Stator-Stufe gezeigt, die mit der Ausführungsform nach 4 korrespondiert. Zwischen einer Außenwand 2a und einer gegenüberliegenden Wand 2b, die die Nabe bildet, ist ein Statorflügel 1 angeordnet. Sowohl an der die Außenwand bildenden Wand 2a als auch an der gegenüberliegenden Wand 2b sind Querlamellen 3, 3' angeordnet, die jeweils eine gleiche Querlamellentiefe 3h, 3h' aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform soll eine reale Stator-Stufe nur schematisch andeuten. Insbesondere ist die Querlamellentiefe 3h, 3h' im Verhältnis zu einem Abstand der Wand 2a von der gegenüberliegenden Wand 2b stark vergrößert dargestellt. Ferner sind in der Realität Oberflächennormalen 9 bzw. 10 der ersten Seiten 3a bzw. der gegenüberliegenden Seite 3b der Querlamellen 3, 3' vorzugsweise jeweils senkrecht zu einer jeweiligen Flächennormalen 11 der Wand 2 bzw. der gegenüberliegenden Wand 2b ausgerichtet.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Stator-Stufe schematisch dargestellt. Hier nimmt sowohl eine Querlamellen-Sehnenlänge 3g, 3g' als auch eine Querlamellentiefe 3h, 3h' mit einem Abstand von der Saugseite 1a der Statorschaufel der einzelnen Querlamellen 3, 3' ab. Sowohl bei der Ausführungsform nach 4 als auch der Ausführungsform nach 5 schließt die hintere Kante 3d, 3d' der Querlamellen jeweils mit einer hinteren Kante 1d der Statorschaufel in axialer Richtung ab.
Durch ein vorsehen der Querlamellen 3, 3' können wesentlich höhere Druckanstiege entlang der Wand "ertragen werden", ohne dass eine nachteilige Ablösung der Strömung auftritt. Dies bedeutet, dass bei vorgegebenem Druckaufbau eine wesentlich verkürzte Strecke hierfür ausreicht, ohne dass größere Verluste auftreten. Hierdurch wird es möglich, kompaktere Statorverdichterstufen zu erstellen. Mit den Querlamellen an der Wand wird somit die Ablösung auf den Seitenwänden und ebenso auf der Saugseite der Schaufeln des Verdichtergitters, insbesondere somit eine Eckenablösung, vermindert.
Ein Erklärungsansatz, wie die Querlamellen wirken, soll anhand der 8 und 9 erläutert werden. In 9 ist eine Ablösung entlang einer Ablöselinie 15 dargestellt, die sich in einer Strömung 14 mit starkem Druckgradienten entsteht. Man geht davon aus, dass der Druck der Außenströmung dp / dx 16 sich dem Druck der Ablösung aufträgt. In dem Ablösegebiet entsteht eine Sekundärströmung 14b, die der Strömung 14 entgegengerichtet ist. In 10 sind in dem Ablösegebiet Querlamellen 13 eingebracht, die das Druckgebiet der Sekundärströmung in mehrere Gebiete gleichen Drucks aufteilen. Eine Ausdehnung des Sekundärströmungsgebiets an der Wand 12 wird so verkleinert und die Randverluste hierdurch minimiert. Zwischen den Querlamellen 13 kommt es zu einer Ausbildung einer veränderten Sekundärströmung 14e, die einer Wirkung der Querlamellen förderlich ist.
Bei Versuchen in einem zweidimensionalen Verdichterversuchstand ist ein integraler Totaldruckverlustbeiwert ζ um bis zu 10% verringert worden. Der Totaldruckverlustbeiwert ζ ist wie folgt definiert:
mit

p -_r1:: gemittelten Totaldruck der Zuströmung des Verdichtergitters,
p_r2(u,z):: lokaler Totaldruck im Nachlauf des Verdichters,
q -₁:: mittleren dynamischen Druck der Zuströmung des Verdichtergitters.

Der integrale Verlustbeiwert ergibt sich aus der Integration des lokalen Verlustbeiwerts über die Schaufelteilung und die Schaufelhöhe des Verdichtergitters. Die Schaufelteilung gibt den Abstand der Statorschaufeln an. Die Statorhöhe gibt eine radiale Spannweite der Statorschaufel an, d. h. einen Abstand von der Nabe zu der Außenwand. Es wird somit azimutal und radial integriert.
Ein lokaler Totaldruckverlustbeiwert ergibt sich aus einer Differenz des gemittelten Totaldruckes der Zuströmung (gekennzeichnet durch einen Strich über der Variablen) und dem lokalen Totaldruck im Nachlauf des Verdichtergitters, der mit dem mittleren dynamischen Druck der Zuströmung normiert wird.
In 10 zeigt sich eine Änderung des über der die Teilung integrierten Totaldruckbeiwerts in einer Verdichterstatorpassage (gestrichelte Datenkurve) verglichen mit einer Referenzkonfiguration (durchgezogene Linie der Datenkurve). Durch die Querlamellen auf den Wänden kommt es zu einer Verminderung der Verluste an den Wänden und auf der Schaufel. Dargestellt ist ein Totaldruckverlustbeiwert gegen eine relative Schaufelhöhe. Eine durchgezogene Linie 21 korrespondiert mit Werten für eine Verdichterstufe ohne Querlamellen. Eine gestrichelte Linie 22 zeigt den Totaldruckverlustbeiwert für eine Statorverdichterstufe mit Querlamellen. Deutlich zu erkennen ist, dass der Totaldruckverlustbeiwert nahe den Wänden reduziert ist.
Bei den hier im Detail beschriebenen Ausführungsformen weisen die Querlamellen und weiteren Querlamellen eine einfache geometrische Kontur auf. Die Kontur ist vorzugsweise einer Stromlinienform angepasst, die sich in der Hauptströmung beabstandet von der Wand ausbildet. Dies bedeutet, dass die Kontur der Querlamellen so gewählt wird, dass sie das Gebiet, in dem sich die Sekundärströmung entlang der Wand ausbildet, möglichst gut ausfüllen. Hierdurch wird eine optimale Unterdrückung der Sekundärströmung erreicht und zugleich ein zusätzlicher Widerstand, der zwangsläufig mit den Querlamellen verknüpft ist, so gering wie möglich gehalten.
Die vorgeschlagenen Ausgestaltungen der Querlamellen und deren Anordnung sind nur beispielhaft angegeben. Insbesondere können sie eine von der Krümmung der Saugseite der Statorschaufeln abweichende Krümmung aufweisen und entlang der Wand anders orientiert angeordnet sind, solange sie quer zu der sich an der Wand in der Passage zwischen den Statorschaufeln ausbildenden Sekundärströmung orientiert sind.

1, 1': Statorschaufel
1': benachbarte Statorschaufel
1a: Saugseite
1b: Druckseite
1d: hintere Kante
2: Wand
2a: Wand
2b: gegenüberliegende Wand
3: Querlamelle
3': weitere Querlamellen
3'': zusätzliche Querlamellen
3a, 3a': erste Seite
3b, 3b': gegenüberliegende Seite
3c, 3c': vordere Kante
3d, 3d': hintere Kante
3f, 3f': Innenkante
3e, 3e': Außenkante
3g, 3g': Querlamellen-Sehnenlänge
3h, 3h': Querlamellentiefe
3i, 3i': abgeschrägte Kante
4: Hauptströmung
4a: Strömungslinien
4b: Sekundärströmung entlang der Wand
4c: anwachsende Dicke der Wandgrenzschicht
4d: weitere Sekundärströmung
5: Bereich einer Eckenablösung
6: Passage
7: Strömungsvolumen
8: Azimutalrichtung
9: Flächennormale der ersten Seite 3a der Querlamellen
10: Flächennormale der gegenüberliegenden Seite 3b der Querlamellen
11: Flächennormale der Wand
12: Wand
13: Querlamellen
14: Strömung
14b: Sekundärströmung
14d: Sekundärströmung in durch Querlamellen 13 erzeugte Sekundärströmungsgebiete
14e: veränderte Sekundärströmung
15: Ablösungslinie
16: Druckgradient
21: durchgezogene Line
22: gestrichelte Linie
SL: Ablöselinie

Claims

Stator-Stufe eines Axialverdichters einer Strömungsmaschine umfassend mindestens eine Statorschaufel (1), die eine Saugseite (1a) und eine Druckseite (1b) umfasst, und mehrere Querlamellen (3, 3'), die sich von mindestens einer Wand (2; 2a, 2b), an die die Statorschaufel (1) angrenzt, beabstandet zu der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) in ein Strömungsvolumen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass Querlamellen-Sehnenlängen (3g, 3g') der mehreren Querlamellen (3, 3') mit einem Abstand von der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) abnehmen.
Stator-Stufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querlamellen (3, 3') eine gleiche Querlamellentiefe (3h, 3h') aufweisen.
Stator-Stufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Querlamellentiefen (3h, 3h') der mehreren Querlamellen (3, 3') mit einem Abstand von der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) abnehmen.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mehreren Querlamellen (3, 3') von der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) und die mehreren Querlamellen (3, 3') voneinander jeweils einen äquidistanten Abstand aufweisen.
Stator-Stufe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äquidistante Abstand zwischen 3% und 7%, bevorzugter zwischen 4% und 6% und am bevorzugtesten 5% einer Profillänge (1j) der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) beträgt.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zusätzlich aus einer der mindestens einen Wand (2a) gegenüberliegenden Wand (2b), an die die mindestens eine Statorschaufel (1) ebenfalls angrenzt, eine oder mehrere zusätzliche Querlamellen (3'') erstrecken.
Stator-Stufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine hintere Kante (3d'') der zusätzlichen Querlamellen (3'') mit einer entsprechenden hinteren Kante (1d) der Statorschaufel (1) in axialer Richtung der Strömungsmaschine abschließt.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine hintere Kante (3d, 3d') mehreren Querlamellen (3, 3') mit der entsprechenden hinteren Kante (1d) der Statorschaufel (1) in axialer Richtung der Strömungsmaschine abschließt.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querlamellen (3, 3') eine erste Seite (3a, 3a') und eine gegenüberliegende zweite Seite (3b, 3b') umfassen, deren Oberflächennormalen (9, 10) zu einer Oberflächennormale (11) der mindestens einen Wand einen Winkel zwischen 70° und 110°, bevorzugter zwischen 85° und 95° und am bevorzugtesten von 90° bilden.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wand (2) eine Außenwand (2a) oder eine Nabe (2b) ist.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die erste Seite (3a, 3a') der mehreren Querlamellen (3, 3') eine Oberflächenkrümmung aufweist, die der Oberflächenkrümmung der Saugseite (1a) der mindestens einen Statorschaufel (1) entspricht.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querlamellen (3, 3') eine erste Seite (3a, 3a') und eine gegenüberliegende zweite Seite (3b, 3b') umfassen und die zweiten Seiten (3b, 3b') der mehreren Querlamellen (3, 3') eine gleiche Oberflächenkrümmung wie die ersten Seiten (3a, 3a') aufweisen.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querlamellen (3, 3') eine der Anströmung einer Hauptströmung (4) zugewandte vordere Kante (3c, 3c') und eine gegenüberliegende hintere Kante (3d, 3d'), eine an die mindestens eine Wand (2; 2a, 2b) angrenzende Innenkante (3f, 3f') sowie eine in das Strömungsvolumen hineinragende, der Innenkante (3f, 3f') gegenüberliegende Außenkante (3e, 3e') umfassen, wobei eine maximale Querlamellen-Sehnenlänge (3g) der der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) am dichtesten benachbarten Querlamelle (3), gemessen von der vorderen Kante (3c) zu der hinteren Kante (3d), größer als eine maximale Querlamellentiefe (3h), gemessen von der Außenkante (3f) zu der Innenkante (3e) ist.
Stator-Stufe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Querlamellen-Sehnenlänge (3g) der der Saugseite (1a) der Statorschaufel (1) am dichtesten benachbarten Querlamelle (3) zwischen 30 % bis 70 %, bevorzugter zwischen 40 % und 60 % und am bevorzugtesten 50 % einer Statorprofil-Sehnenlänge (1g) beträgt.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der vorderen Kante (3c, 3c') und der Innenkante (3e, 3e') eine abgeschrägt Kante (3i, 3i') ausgebildet ist.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vordere und innere Kontur der mehreren Querlamellen (3, 3') einem Stromlinienverlauf der Hauptströmung (4), beabstandet zu der Wand (2; 2a, 2b), entsprechen.
Stator-Stufe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querlamellen (3, 3') innerhalb eines Volumens angeordnet sind, in dem sich eine von der Druckseite (1b') einer benachbart angeordneten weiteren Statorschaufel (1') zu der Saugseite (1a) der mindestens einen Statorschaufel (1) gerichtete durch Wandablösung verursachte Sekundärstörmung (4b) zu der Hauptströmung (4) in einem einer Auslegung der Strömungsmaschine entsprechenden Betrieb ausbildet, wobei die mehreren Querlamellen (3, 3') quer zu der Sekundärströmung (4b) ausgerichtet sind.