-
Die Erfindung betrifft einen Axialverdichter mit einem Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln, deren radial äußere und/oder innere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen.
-
Bei der Durchströmung von Leit- und Laufschaufelgittern von Turbomaschinen kommt es zu Verlusten, welche den Wirkungsgrad der Schaufelreihen und damit auch der gesamten Maschine begrenzen. Diese Strömungsverluste lassen sich im Wesentlichen in Reibungsverluste an den Oberflächen (Schaufel sowie Naben- und Gehäusewände) und Verluste aufgrund von Sekundärströmungen im Randzonenbereich der Schaufelgitter unterteilen. Speziell die Verringerung der Sekundärströmungsverluste ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung auf dem Gebiet der Verdichtertechnologie, da vor dem Hintergrund einer immer weiter steigenden Nachfrage an Energie und eines stetig zunehmenden Flugverkehrsaufkommens der Belastung der Umwelt durch CO2 nur durch effizientere Gasturbinen und Flugtriebwerke entgegengewirkt werden kann.
-
US 2008/0085190 A1 offenbart einen Axialverdichter mit einem Kranz von Schaufeln, die mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und die jeweils eine Antrömkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen. Hinter der durch die Abströmkanten der Schaufeln gebildeten Austrittsebene weist der Axialverdichter Vertiefungen in Form von Abgaskanälen in der Endwand auf, die jeweils einer Schaufel zugeordnet sind.
-
Die Beeinflussung und Verringerung der Sekundärströmung und der aus ihr resultierenden Verluste ist speziell in der Verdichteraerodynamik in den letzten Jahrzehnten eines der zentralen Themen der Forschung gewesen. Da gerade die Strömungsverhältnisse in den Randzonen zwischen den Schaufeln und den Naben- und Gehäusewänden durch komplexe Wirbelsysteme und Sekundärströmungen geprägt sind, stellt sich deren gezielte Beeinflussung als wissenschaftliche Herausforderung dar.
-
Die 3 zeigt die wesentlichen Sekundärströmungen und Wirbelstrukturen wie sie sich in einem Verdichtergitter ausbilden. Sie beinhaltet auch Sekundärströmungen, welche aufgrund eines radialen Spaltes zwischen der Schaufel und der Endwand entstehen können. In 3 sind zwei Schaufeln 10 eines Schaufelkranzes dargestellt. Die Schaufeln sind an ihren radial inneren Enden mit einer Nabe 11 verbunden, die die Endwand bildet. Die Schaufeln 10 bilden somit ein Schaufelgitter, das einen Rotor eines Verdichters darstellen kann. Die Schaufeln 10 haben jeweils eine Anströmkante 12, eine Abströmkante 13, eine Druckseite 14 und eine Saugseite 15. Die Druckseite 14 ist konkav gestaltet und die Saugseite 15 ist konvex gestaltet. Infolge der sich an der Saugseite 15 ausbildenden höheren Strömungsgeschwindigkeit ist dort der Druck gering. An der Druckseite 14 hingegen entsteht bei dem Verdichtergitter ein erhöhter Druck. Im Bereich der Anströmkante 12 (Vorderkante) kommt es an der Nabe 11 zu einem Aufrollen der Grenzschicht, so dass sich dort der sogenannte Hufeisenwirbel bildet. Weiterhin bildet sich aufgrund des Druckgradienten zwischen der Druckseite 14 einer Schaufel 10 und der Saugseite 15 der benachbarten Schaufel 10 eine Querströmung in der Passage an den begrenzenden Wänden von Nabe 11 und Gehäuse aus. Vergleichbare Strömungen entstehen auch an Statoren, bei denen die Endwand durch die Gehäusewand gebildet ist, von der die Schaufeln radial abstehen. Aus dieser Querströmung resultieren zwei zueinander entgegengesetzt rotierende Kanalwirbel, welche an der Naben- und Gehäusewand energiearmes Grenzschichtmaterial in den Eckenbereich zwischen Wand und Schaufelsaugseite transportieren. Die starke Verzögerung der Strömung im Schaufelgitter sorgt dafür, dass es im Bereich der Ecke zu einer massiven Ablösung der Strömung kommen kann. Aus dieser Ablösung und den vorhandenen Rückströmgebieten auf Schaufel und den Wänden ergeben sich signifikante Totaldruckverluste in der Schaufelpassage, welche mit sinkendem Schaufelhöhenverhältnis immer dominanter werden. Neben den entstehenden Totaldruckverlusten verursachen insbesondere die Kanalwirbel hinter der Schaufelreihe eine inhomogene Abströmung im Randzonenbereich. Nahe der Endwand kommt es zu einer Abweichung von einer idealen Abströmwinkelverteilung, wobei zwei Gebiete existieren. Direkt an der Endwand liegt ein geringerer Abströmwinkel vor, was zu einer Überumlenkung führt. Mit zunehmender Entfernung von der Endwand nimmt der Abströmwinkel zu, wobei es zu einem gegenüber der idealen Abströmwinkelverteilung erhöhten Abströmwinkel kommen kann, was einer Minderlenkung entspricht. Unter Abströmwinkel wird der Winkel zwischen der Abströmung und der durch die Abströmkanten benachbarter Schaufeln verlaufenden Abströmebene verstanden, wobei der Winkel ausgehend von der Abströmung im mathematisch negativen Drehsinn zu der Abströmebene bestimmt wird.
-
Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades moderner Verdichter ist demzufolge stark mit der Beeinflussung der Sekundärströmungseffekte (Kanalwirbel) gekoppelt, da auf diese Weise die Verluste reduziert werden können.
-
Eine möglichst homogene Verteilung des Abströmwinkels hinter den einzelnen Schaufelreihen eines Verdichters ist im Auslegungsprozess ein wesentliches Kriterium, da zu große Abweichungen bzw. Schwankungen des Abströmwinkels eine stark inhomogene Zuströmung zur nachfolgenden Schaufelreihe bedeuten. Dies kann erheblichen Einfluss auf das Leistungs- und Verlustverhalten der einzelnen Stufen sowie des gesamten Verdichters haben.
-
Die inhomogenen Abströmwinkelverteilungen treten im Wesentlichen in den Randzonen der Schaufelreihen und somit im Übergangsbereich zwischen Endwand und der Schaufel auf und werden durch die dort vorherrschenden Sekundärströmungsphänomene verursacht. Eine bekannte Methode zur Strömungsbeeinflussung ist die Konturierung der Endwand. Ein derart ausgebildeter Axialverdichter ist beispielsweise aus
DE 10 2009 052 142 B3 der Anmelderin bekannt. Es wird versucht, einen Hilfswirbel zu erzeugen, welcher die Querströmung hindert, die Eckenbereiche zwischen Schaufel und Wand zu erreichen.
-
Die derzeit verwendeten konstruktiven Maßnahmen des Einsatzes von konturierten Endwänden zielen auf die Beeinflussung der Sekundärströmung ab, sind aber im Wesentlichen auf die Reduzierung der Verluste ausgelegt. Eine gezielte Beeinflussung der Abströmwinkelverteilung ist nicht vorgesehen. Der Kanalwirbel bildet sich weiterhin aus, wodurch sich eine stark inhomogene Abströmung im Randzonenbereich hinter einer Schaufelreihe ergibt.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialverdichter zu schaffen, der eine verbesserte Abströmwinkelverteilung aufweist.
-
Der erfindungsgemäße Axialverdichter ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert.
-
Der erfindungsgemäße Axialverdichter weist ein Verdichtungsgitter mit einem Kranz von Schaufeln auf, deren radial äußere und/oder innere Enden mit einer ringförmigen Endwand verbunden sind und jeweils eine Anströmkante, eine Abströmkante, eine Druckseite und eine Saugseite aufweisen. Die Abströmkanten der Schaufeln bilden eine Austrittsebene, wobei der Kranz von Schaufeln eine Teilung t besitzt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Endwand stromabwärts hinter der Austrittsebene lokale Vertiefungen und lokale Erhebungen aufweist, wobei eine Schaufel jeweils einer Erhebung und einer Vertiefung zugeordnet ist. Der Grundgedanke der Erfindung liegt in dem Vorsehen einer wellenförmigen Kontur an der Endwand, die durch die lokalen Vertiefungen und lokalen Erhebungen hervorgerufen wird. Dadurch kann die Verteilung des Abströmwinkels beeinflusst werden und eine homogenere Abströmung erzielt werden. Die Über- und Minderumlenkung im Randzonenbereich des Schaufelkranzes ergibt sich aus der Existenz der Sekundärströmungen und speziell des Kanalwirbels in diesem Bereich. Die durch die lokalen Vertiefungen und lokalen Erhebungen gebildete Abströmkontur ruft Differenzen in den statischen Drücken an der Endwand hervor, so dass im Abströmbereich an der Endwand Druckgradienten bzw. Kräfte auftreten. Diese weisen eine Richtung auf, die entgegen der Richtung der Querströmung an der Endwand gerichtet ist, wodurch es zu einer Reduzierung der im wandnahen Bereich auftretenden Überumlenkung kommt. Somit ist es möglich, an der Endwand die Abströmwinkelverteilung einer idealen Verteilung anzunähern und die Abströmung homogener zu gestalten. Der Kranz von Schaufeln kann einen Rotor bilden, bei dem die Endwand durch die Nabe gebildet ist oder einen Stator, bei dem die Endwand durch die Gehäusewand gebildet ist. Ferner sind Ausführungsbeispiele möglich, bei dem ein Stator sowohl durch die Nabe als auch durch die Gehäusewand gebildete Endwände aufweist.
-
Durch eine Vertiefung wird an der Endwand im Vergleich zu einer nicht konturierten Endwand ein höherer statischer Druck erzeugt. Die Erhebung verursacht einen geringeren statischen Druck. Die Anordnung einer Vertiefung ruft einen höheren statischen Druck hervor, so dass ein Druckabfall in Richtung eines niedrigeren Druckes in der Umgebung erzeugt wird. Das Vorsehen einer Erhebung erzeugt einen Druckgradienten aus der Umgebung mit höherem statischem Druck in Richtung der Erhebung. Durch die Anordnung von Vertiefungen und/oder Erhebungen lässt sich somit ein Druckgradient bzw. eine Kraft erzeugen, mit einer Wirkrichtung entgegen der Wirkrichtung des Querdruckgradienten, welcher innerhalb der Schaufelpassage für die Querströmung an der Endwand verantwortlich ist. Die Endwandkontur aus Vertiefungen und/oder Erhebungen ist hinter der Abströmebene angeordnet, so dass es nicht zu einer direkten Beeinflussung des in der Schaufelpassage vorhandenen Querdruckgradienten kommt. Es wird vielmehr die Strömung in dem Abströmbereich direkt beeinflusst. Dadurch ist eine effektive Beeinflussung der Abströmwinkelverteilung möglich.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jede lokale Vertiefung stromabwärts hinter der Abströmkante der zugeordneten Schaufel angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Vertiefung befindet sich in dem Endwandbereich, der in stromabwärtiger Richtung hinter der Abströmkante angeordnet ist. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass sich die Vertiefung in einer Richtung parallel zu der Austrittsebene druckseitig der zugeordneten Schaufel gegenüber der Abströmkante dieser Schaufel um eine Länge x übersteht, wobei gilt: x ≤ 0,25 t. Mit anderen Worten: Die Vertiefung weist eine derartige Größe auf, dass sie sich in die stromabwärtige Verlängerung der Schaufelpassage in den druckseitigen Bereich maximal mit einer Länge, die ein Viertel der Teilung beträgt, hinein erstreckt. Da die Vertiefung hinter der Abströmkante angeordnet ist, erstreckt sie sich auch saugseitig geringfügig in die Verlängerung der benachbarten Schaufelpassage. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Vertiefung unmittelbar hinter der Abströmkante oder mit einem Abstand von wenigen Millimetern beginnt.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung der Vertiefung hat sich für die Beeinflussung der Abströmwinkelverteilung als besonders vorteilhaft herausgestellt, da durch den höheren statischen Druck an dieser Stelle der Überumlenkung im endwandnahen Bereich in besonders vorteilhafter Weise entgegengewirkt werden kann.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erhebung in einer Richtung parallel zu der Austrittsebene neben der Vertiefung angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die Erfindung sieht eine Vertiefung und eine Erhebung für jede Schaufel vor, wobei die Erhebung in Teilungsrichtung neben der Vertiefung angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, dass aufgrund der veränderten statischen Drücke an einer derartig konturierten Endwand ein Druckgradient bzw. Kraft erzeugt wird, dessen bzw. deren Wirkrichtung der Wirkrichtung des Querdruckgradienten direkt entgegenwirkt, wodurch die Abströmung positiv beeinflusst wird.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Erhebung saugseitig der zugeordneten Schaufel angeordnet ist, wobei sich die Erhebung vollständig in der Verlängerung der zwischen der zugeordneten Schaufel und der saugseitig benachbarten Schaufel gebildeten Schaufelpassage befindet. Dadurch wird erreicht, dass hinter der Abströmkante einer Schaufel ein Druckgradient bzw. Kraft in Richtung der Saugseite der Schaufel erzeugt wird, wodurch eine Wirkweise entgegen der Wirkrichtung des Querdruckgradienten erzeugt wird und somit die Abströmwinkelverteilung positiv beeinflusst wird.
-
Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können mit einem geringen Abstand von der Austrittsebene angeordnet sein oder direkt an diese anschließen.
-
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass die Vertiefungen und Erhebungen alternierend in Umfangrichtung angeordnet sind.
-
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erhebungen und/oder die Vertiefungen jeweils einen kantenlosen Übergang zu der Endwand besitzen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der kantenlose Übergang an allen Seiten der Erhebungen bzw. der Vertiefungen vorliegt. Dadurch wird verhindert, dass durch die Konturierung der Endwand zusätzliche Wirbel, die eine Sekundärströmung im Abströmbereich erzeugen können, hervorgerufen werden.
-
Die Erfindung kann vorsehen, dass die Erhebungen eine Höhe aufweisen, die maximal 5% der Schaufelhöhe beträgt. Vorzugsweise besitzen die Erhebungen eine Höhe von 2% bis 3%, besonders bevorzugt 2,5% der Schaufelhöhe.
-
Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass die Vertiefungen eine Tiefe aufweisen, die maximal 5% der Schaufelhöhe beträgt. Vorzugsweise beträgt die Tiefe 2% bis 3%, besonders bevorzugt 2,5% der Schaufelhöhe.
-
Unter Tiefe der Vertiefung wird der Abstand in radialer Richtung des tiefsten Punktes der Vertiefung zu der durch die umgebende Endwand gebildeten Fläche verstanden. Die Höhe der Erhebung wird in vergleichbarer Weise bestimmt.
-
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung zweier Schaufeln im Bereich der Endwand sowie des Kanalwirbels, der sich von der Druckseite auf die Saugseite der Schaufeln ausbildet,
-
2 eine schematische Draufsicht auf zwei Schaufeln und die dazugehörige Endwand und
-
3 eine Darstellung der Sekundärströmungen und Wirbel in einem Axialverdichtergitter nach Hübner (1996).
-
In 1 sind zwei Schaufeln 10 dargestellt, die zusammen mit weiteren Schaufeln einen Kranz bilden und von einer Nabe radial abstehen. Die Nabe bildet eine ringförmige Endwand 16. Die Endwand 16 bildet zusammen mit den Schaufeln 10 das sogenannte Schaufelgitter. In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Endwand 16 von einer Gehäusewand gebildet, von der die Schaufeln 10 radial nach innen abstehen oder die Schaufeln 10 sind mit der Nabe und der Gehäusewand verbunden, so dass jede Schaufel 10 zwei Endwände besitzt.
-
Jede Schaufel 10 hat eine vordere Anströmkante 12 und eine hintere Abströmkante 13. Die Unterseite bildet eine Druckseite 14 und die Oberseite bildet eine Saugseite 15. Bei einem Rotor rotiert das gesamte Schaufelgitter. Bei dem nicht dargestellten Stator ist das gesamte Schaufelgitter ortsfest und es wird von einer Luftströmung angeströmt. In 1 ist die Anströmung mit einem Pfeil 17 bezeichnet. Der Winkel der Zuströmung kann das Leistungs- und Verlustverhalten der aus dem Schaufelkranz gebildeten Stufe des Axialverdichters beeinflussen. Daher ist das Ziel der Erfindung, eine homogene Abströmwinkelverteilung einer Verdichterstufe zu erreichen. Die Schaufeln 10 weisen einen Abstand, der durch die Teilung t wiedergegeben ist, auf. Die Teilung t ist eine bei der Auslegung von Schaufelkränzen gängige Größe und wird somit nicht näher erläutert.
-
Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, bilden die Abströmkanten 13 der Schaufeln eine Austrittsebene 18. Die Abströmung wird in 2 durch einen Pfeil 22 dargestellt. Die Abströmung 22 erfolgt in einem Abströmwinkel α zu der Abströmebene 18, wobei der Abströmwinkel α ausgehend von der Abströmung 22 in mathematisch negativem Drehsinn bestimmt wird. Stromabwärts hinter der Austrittsebene 18 sind Vertiefungen 19 und Erhebungen 21 angeordnet, wobei jeweils eine Vertiefung 19 und eine Erhebung 21 einer Schaufel 10 zugeordnet ist. Die Vertiefungen und Erhebungen sind in den Figuren nur angedeutet dargestellt. Die Vertiefungen rufen einen höheren statischen Druck hervor, wohingegen die Erhebungen einen geringeren statischen Druck erzeugen. Dadurch entsteht ein Druckgradient bzw. eine Kraft, der bzw. die von der Vertiefung in Richtung Erhebung gerichtet ist. Der Druckgradient bzw. die Kraft ist in 2 durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt.
-
Die Vertiefungen 19 und Erhebungen 21 sind alternierend und in einer Richtung parallel zu der Austrittsebene 18 nebeneinander angeordnet. Die Richtung des durch die Vertiefungen und Erhöhungen entstehenden Druckgradienten bzw. die Richtung der Kraft unmittelbar stromab der Abströmkante 13 ist somit entgegen der Richtung des in der Schaufelpassage 20 von der Druckseite 14 einer Schaufel 10 in Richtung der Saugseite 15 der benachbarten Schaufel entstehenden Querdruckgradienten. Der Querdruckgradient ist in 2 mit dem Pfeil 23 angedeutet.
-
Die Vertiefungen 19 sind jeweils in Richtung stromabwärts der Abströmkante 13 hinter der Abströmkante 13 angeordnet. Dabei erstrecken sie sich auf der Druckseite 14 der zugeordneten Schaufel 10 in die auf der Druckseite 14 gebildeten Schaufelpassage 20 in die stromabwärtige Verlängerung der Schaufelpassage 20 mit einer Länge x. Die Länge x beträgt dabei maximal ein Viertel der Teilung t. Die Erhebungen 21 befinden sich jeweils saugseitig der zugeordneten Schaufel 10 vollständig in der stromabwärtigen Verlängerung der Schaufelpassage 20. Dadurch wird erreicht, dass hinter der Abströmkante 13 der durch die Vertiefungen 19 und die Erhebungen 21 entstehende Druckgradient bzw. die dadurch entstehende Kraft unmittelbar stromab der Abströmkante 13 stets in eine Richtung entgegen der Richtung des Querdruckgradienten wirkt, wodurch in effektiver Weise die Abströmwinkelverteilung beeinflusst werden kann.
-
Die Vertiefungen 19 können eine Tiefe von 2,5% der Schaufelhöhe besitzen. Die Erhebungen können eine Höhe von 2,5% der Schaufelhöhe aufweisen.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung von Erhebungen und Vertiefungen kann beispielsweise eine Reduzierung der Überumlenkung im endwandnahen Bereich um bis zu 5° erreichen. Dies ermöglicht eine signifikante Homogenisierung der Abströmwinkelverteilung. Der endwandnahe Bereich ist der Bereich bis etwa 15% der Schaufelhöhe. Es hat sich auch gezeigt, dass zusätzlich eine Beeinflussung des Abströmwinkels oberhalb des endwandnahen Bereiches erreicht werden kann, wodurch eine Homogenisierung der Abströmwinkelverteilung über nahezu die gesamte Schaufelhöhe bewirkt werden kann.
