DE10310150A1 - Begrenzungswand-Konfiguration zur Verwendung bei Turbomaschinen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Begrenzungswand-Konfiguration zum Reduzieren der Stoßstärke bei Transsonik-Turbomaschinen-Strömungsprofilen, die mindestens eine Strömungspassage (24) definieren. Die Begrenzungswand-Konfiguration beinhaltet eine nicht achsensymmetrische Mulde (30), die sich von einem vorderen Bereich der mindestens einen Strömungspassage (24) zu einer Stelle in der Nähe eines hinteren Randbereichs der mindestens einen Strömungspassage (24) erstreckt.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsleitanordnung zur Verwendung bei rotierenden Maschinen und betrifft eine Begrenzungswand- Konfiguration zur Verwendung bei rotierenden Turbomaschinen zum Reduzieren der Stoßstärke bei Transsonik-Turbomaschinen-Strömungsprofilen.
• Bei rotierenden Turbomaschinen, wie z. B. den Kompressor- und Turbinenstufen von Strahltriebwerken, werden Strömungspassagen durch Strömungsprofilflächen sowie eine innere Begrenzungswand definiert. Während des Betriebs treten Stoßwellen in der Nähe der inneren Begrenzungswand auf. Das Vorhandensein dieser Stoßwellen führt dort zu Druckverlusten, wo sie mit der inneren Begrenzungswand in Wechselwirkung treten. Aus diesem Grund ist es äußerst wünschenswert, die durch die Stoß-/Begrenzungswand-Wechselwirkung bedingten Verluste zu reduzieren, die während einer transsonischen Fluidströmung bzw. einer Fluidströmung mit Strömungsgeschwindigkeit in der Gegend der Schallgeschwindigkeit durch die Passagen auftreten.
• Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch Schaffung einer Begrenzungswand, die eine nicht achsensymmetrische Mulde aufweist, die durch Stoß-/Begrenzungswand-Wechselwirkung bedingte Verluste reduziert.
• Ferner schafft die vorliegende Erfindung eine nicht achsensymmetrische Mulde der inneren Begrenzungswand, mit der sich eine Reduzierung der Querpassagen-Druckverzerrung in Querrichtung der Passage verwirklichen läßt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Begrenzungswand-Konfiguration zum Reduzieren der Stoßstärke bei Transsonik-Turbomaschinen-Strömungsprofilen, die mindestens eine Strömungspassage bilden, eine nicht achsensymmetrische Mulde auf, die sich von einem vorderen Bereich der mindestens einen Strömungspassage bis zu einer Stelle in der Nähe eines hinteren Endbereichs der mindestens einen Strömungspassage erstreckt. Der Begriff "nicht achsensymmetrisch", wie er hierin verwendet wird, soll bedeuten, dass sich die Mulde nicht ausschließlich entweder in axialer Richtung oder in Umfangsrichtung oder Radialrichtung erstreckt. Vielmehr erstreckt sich die Mulde gleichzeitig sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung.
• Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Bereich einer Turbomaschine-Strömungsleitanordnung mit einer konturierten inneren Begrenzungswand gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;
• Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 2; und
• Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3.
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt Fig. 1 einen Bereich einer Strömungsleitanordnung 10 dar, die bei einer rotierenden Maschine verwendet wird, wie z. B. einer Kompressorstufe oder einer Hochdruck-Turbinenstufe einer Turbinenmaschine. Die Strömungsleitanordnung 10 weist eine Mehrzahl von Laufschaufeln oder Leitschaufeln 12 auf, wobei jede Laufschaufel oder Leitschaufel 12 ein Strömungsprofil 14 und eine Plattform 16 aufweist, die Teil einer inneren Begrenzungswand 18 bildet. Jedes Strömungsprofil 14 weist eine Druckseite 20, eine Sogseite 22, eine Vorderkante 23 und eine Hinterkante 26 auf. Einander benachbarte der Strömungsprofile 14 in der Anordnung 10 bilden Fluidströmungspassagen 24. Typischerweise sind die Plattformen 16 derart konfiguriert (s. gestrichelte Linien in Fig. 2 und 3), dass es zu einem Stoß voller Spannweite kommt, der von der Hinterkante 26 jedes Strömungsprofils 14 ausgeht. Dies führt zu einer starken Änderung in der Mach-Zahl in Querrichtung nahe einer von der Plattform stromabwärts gelegenen Stelle hinter von der Hinterkante 26, was wiederum zu Druckverlusten und Einbußen bei der Effizienz beiträgt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der hintere Endbereich 28 jeder Plattform 16 mit einer nicht achsensymmetrischen Mulde 30 versehen. Jede Mulde 30 erstreckt sich von einem vorderen Endbereich 30' einer jeweiligen Strömungspassage 24 zu einer Stelle 34 in der Nähe des hinteren Endbereichs der Strömungspassage 24. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, erstreckt sich die Mulde 30 nicht ausschließlich in Axialrichtung oder ausschließlich in einer Umfangsrichtung. Die Mulde 30 erstreckt sich vielmehr gleichzeitig sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung.
• Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, weist die Mulde 30 eine Amplitude oder Tiefe auf, die nahe der axialen Stelle 32 des Strömungspassagenhalses ihr Maximum (max) hat. Die tatsächliche maximale Tiefe der jeweiligen Mulde 30 variiert in Abhängigkeit von der Aerodynamik, die man zu erreichen sucht. Von der Stelle 34' der maximalen Tiefe verläuft die Mulde 30 vorzugsweise sanft gekrümmt nach oben zu einer ersten Stelle 40, wo sie in die Druckseite 20 eines ersten der Strömungsprofile 14 übergeht, sowie sanft gekrümmt nach oben zu einer zweiten Stelle 42, wo sie in die Sogseite 22 eines zweiten der Strömungsprofile 14 übergeht. Die seitliche Krümmung der Mulde 30 kann einen zentralen konkaven Bereich 36 sowie im Wesentlichen konvexe Bereiche 37 und 38 beinhalten. Falls gewünscht, kann die Mulde 30 in der in den Fig. 1 und 4 gezeigten Weise eine Krümmung von der Spitze bis zum Ende aufweisen, die im Wesentlichen identisch mit der Krümmung eines hinteren Bereichs 44 der Sogseite 22 des Strömungsprofils 14 ist.
• Falls gewünscht, kann der Eckbereich 39 jeder Plattform 16 leicht nach unten gekrümmt sein, so dass er in die Mulde 30 in einer benachbarten Plattform 16 übergeht.
• Durch Integrieren der Mulde 30 in jede Plattform 60 werden eine Reduzierung der Stoßstärke sowie eine reduzierte Verzerrung in der Mach-Zahl in der Nähe der Oberfläche der Plattform 16 erzielt. Ferner wird die Stoß-/Begrenzungswand-Wechselwirkung minimiert, was zu einer Reduzierung von Verzerrungen der Mach-Zahl in Querrichtung, einer Reduzierung der Druckverluste sowie einer Steigerung der Effizienz führt. Die Mulde minimiert die Wirkungen von Stößen innerhalb sowie stromabwärts von der Strömungspassage 24. Die Mulde 30 kann in viele verschiedene Strömungsleitanordnungen integriert werden, zu denen Kompressorstufen von Turbomaschinen sowie Turbinenstufen von Turbomaschinen gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Claims (10)

1. Strömungsleitanordnung zur Verwendung bei einer rotierenden Maschine, mit einer Mehrzahl von Schaufeln (12), von denen jede ein Strömungsprofil (14) und eine Plattform (16) aufweist, und mit einer Mehrzahl von Strömungspassagen (24), die durch die Strömungsprofile (14) der Schaufeln (12) definiert sind, wobei jede der Strömungspassagen (24) eine innere Begrenzungswand (18) aufweist, die durch Plattformen (16) von benachbarten Schaufeln (12) definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Begrenzungswand (18) einer jeden Strömungspassage (24) eine Einrichtung zum Minimieren von Stoßeffekten innerhalb sowie hinter jeder der Strömungspassagen (24) aufweist.

2. Strömungsleitanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßeffekt-Minimiereinrichtung eine nicht achsensymmetrische Mulde (30) aufweist, die sich von einer Stelle innerhalb der Strömungspassage (24) zu einer Stelle hinter der Strömungspassage (24) erstreckt.

3. Strömungsleitanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich jede Mulde (30) in einem Bereich der Plattform (16) befindet, der einer jeweiligen Schaufel (12) zugeordnet ist.

4. Strömungsleitanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (30) eine anfängliche Tiefe an einer Stelle in der Nähe eines vorderen Endbereichs der Strömungspassage (24), eine maximale Tiefe in der Nähe einer axialen Stelle eines Strömungspassagenhalses sowie eine abschließende Tiefe an einer stromabwärtigen Erstreckung der Plattform (16) aufweist, und dass die anfängliche und abschließende Tiefe geringer sind als die maximale Amplitude.

5. Strömungsleitanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Strömungsprofil (14) eine Sogseite (22) aufweist und jede Mulde (30) eine Krümmung aufweist, die im Wesentlichen identisch mit der Krümmung eines hinteren Bereichs der Strömungsprofil-Sogseite (22) ist.

6. Strömungsleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Schaufeln (12) Turbinenschaufeln, vorzugsweise Turbinen-Laufschaufeln, aufweist.

7. Strömungsleitanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Schaufeln Kompressorschaufeln, vorzugsweise Kompressor-Laufschaufeln, aufweist.

8. Endwand-Konfiguration zum Reduzieren der Stoßstärke bei Transsonik- Turbomaschinen-Strömungsprofilen, wobei mindestens eine Strömungspassage (24) vorhanden ist, die durch mindestens zwei Strömungsprofile (14) gebildet ist, gekennzeichnet durch eine nicht achsensymmetrische Mulde (30), die sich von einem vorderen Bereich der mindestens einen Strömungspassage (24) zu einer Stelle nahe einem hinteren Endbereich der mindestens einen Strömungspassage (24) erstreckt.

9. Endwand-Konfiguration nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht achsensymmetrische Mulde (30) eine maximale Tiefe in der Nähe der axialen Stelle eines Passagenhalsbereichs aufweist.

10. Endwand-Konfiguration nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (30) eine anfängliche Tiefe an dem vorderen Endbereich und eine abschließende Tiefe in der Nähe der Stelle nahe dem hinteren Randbereich aufweist, und dass sowohl die anfängliche Tiefe als auch die abschließende Tiefe geringer sind als die maximale Tiefe.