DE1937395A1

DE1937395A1 - Grid to avoid secondary flow

Info

Publication number: DE1937395A1
Application number: DE19691937395
Authority: DE
Inventors: Pruemper Dipl-Ing Heinz; Dettmering Prof Dr-Ing Wilhelm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-07-23
Filing date: 1969-07-23
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2054402A5

Description

Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Dettmering Aachen, den 22. JuliProf. Dr.-Ing. Wilhelm Dettmering Aachen, July 22nd Am Chorusberg 26On the Chorusberg 26 Gitter zur Vermeidung der SekundärströmungGrille to avoid secondary flow

Die Erfindung betrifft Leitbleche und überströmkanal im Bereich der Wandgrenzschichten zur Vermeidung von Sekundärströmungen.The invention relates to baffles and overflow channel in the Area of the wall boundary layers to avoid secondary flows.

Der Strömungsverlauf der wandnahen Fluidschichten in den Schaufelkanälen von Strömungsmaschinen wird maßgeblich vom Druckgradientenfeld der Primärströmung und in Rotoren zusätzlich von den Fliehkräften bestimmt. Die Stromlinien der verzögerten wandnahen Schichten können auf den Schaufeloberflächen starke Radialkomponenten besitzen und an den Begrenzungswänden (Deckband, Nabe oder Gehäuse) oder im Spalt zwischen Schaufelende, Nabe oder Gehäuse quer zur Hauptströmung gerichtet sein. Diese der Primärströmung überlagerten Fluidbewegungen heißen Sekundärströmungen. Sie sind die Ursache starker Verluste, weil sie einerseits einen Teil der kinetischen Energie der Hauptetrömung in rotatorische Wirbelenergie umwandeln und andererseits in den R&ndzonen durch Anhäufung energiearmen Materials auf der Saugseite der Schaufeln Ablösungen verursachen. Diese Ablösungen können bei genügend starker Umlenkung und hinreichend kurzen Schaufeln die gesamte Schaufelhöhe erfassen. Das Verhalten der Sekundärströmungen und die sie bestimmenden Einflußgrößen sind erst vor einigerThe flow path of the fluid layers close to the wall in the blade channels of turbomachines is determined by the Pressure gradient field of the primary flow and, in rotors, also determined by centrifugal forces. The streamlines of the Delayed layers close to the wall can have strong radial components on the blade surfaces and on the boundary walls (shroud, hub or housing) or in the gap between the blade end, hub or housing at right angles to the main flow be directed. These fluid movements superimposed on the primary flow are called secondary flows. You are the cause heavy losses because, on the one hand, they convert part of the kinetic energy of the main flow into rotational vortex energy and, on the other hand, cause detachments in the peripheral zones through the accumulation of low-energy material on the suction side of the blades. These detachments can be sufficient if there is enough strong deflection and sufficiently short blades capture the entire blade height. The behavior of the secondary currents and the influencing factors determining them are only a few years ago

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Zeit richtig erkannt worden. Daher finden sich in ausgeführten Maschinen noch keine wirksamen konstruktiven Maßnahmen zur Unterdrückung der Sekundärströmungen. Als einzige Maß-* nähme können Deckbänder bei Turbinenleiträdern nabenseitig und bei Turbinenlaufrädern außen angesehen werden. Wenn sie auch aus anderen Gründen angewandt werden, schließen sie doch die Spalt3trömung um die Schaufelenden aus und verhindern, daß der Kanalwirbel durch Relativbewegung der Wand noch verstärkt wird. In älteren Vorschlägen zur Vermeidung der genannten Effekte wird zwar das Wort "Sekundärströmungen" erwähnt, der Mechanismus der Sekundärströmungen jedoch gar nicht bzw. nur unwesentlich berücksichtigt. Lediglich der Vorschlag (DAS II0837¹») könnte die Spalt strömung mildern und den Kanälwirbel verhindern, jedoch stören die Wirbelflossen das Potential der Hauptströmung stark, wodurch der Gewinn durch den Verlust kompensiert wird. Außerdem kann wegen der Schleppwirkung der äußeren Gehäusewand die Spaltströmung nur teilweise unterbunden werden. Gemäß eines anderen Vorschlags (DAS I026037), möchte man aus wandfernen Zonen "gesundes Strömungsmittel" in die wandnahe Zone auf der Schaufelsaugseite bringen. Bohrungen oder Kanäle von der Druck- zur Saugseite hin haben aber gemäß dem relativ kleinen Druckgefälle einen eigenen Strömungscharakter. Es lassen sich nur laminare Strömungen in ihnen verwirklichen, (Re < 23oo) so daß an der Austrittsstelle kleine Geschwindigkeiten mit parabolischem Geschw. Profil und verschwindend kleinen Massenströmen vorliegen. Von "energiereichem gesunden Strömungsmittel" kann nicht die Rede sein. Diese Lösung dürfte also kaum die gestellten Forderungen erfüllen. Der Vorschlag (DAS Ι0Ί62Ί6)Time has been correctly recognized. Therefore, there are still no effective constructive measures for suppressing the secondary flows in executed machines. Shrouds on the hub side of turbine idlers and on the outside of turbine impellers can be regarded as the only measures *. Even if they are used for other reasons, they still exclude the flow of gaps around the blade ends and prevent the canal vortex from being intensified by the relative movement of the wall. In older proposals for avoiding the effects mentioned, the word "secondary flows" is mentioned, but the mechanism of the secondary flows is not taken into account at all or only insignificantly. Only the suggestion (DAS II0837 ¹ ») could alleviate the crevice flow and prevent the canal eddy, but the eddy fins strongly disrupt the potential of the main flow, whereby the gain is compensated by the loss. In addition, the gap flow can only be partially prevented because of the dragging effect of the outer housing wall. According to another proposal (DAS I026037), one would like to bring "healthy fluid" from zones remote from the wall into the zone close to the wall on the blade suction side. However, bores or channels from the pressure to the suction side have their own flow characteristics due to the relatively small pressure gradient. Only laminar flows can be realized in them (Re <23oo) so that at the exit point there are small velocities with a parabolic velocity profile and vanishingly small mass flows. There can be no question of "high-energy, healthy fluid". This solution is unlikely to meet the demands made. The proposal (DAS Ι0Ί62Ί6)

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bezieht sich auf Qrenzschichtzentrifugierung und Qrenzschichtströmungen bei nach hinten gepfeilten Schaufeln» kommt also für die vorliegende Aufgabe nicht in Betracht. Im Vorschlag (DAS II06027) werden vorhandene Deckbänder bei Verdichtern für das Abreißen der Strömung verantwortlich gemacht. Dabei ist gerade bei fehlendem Deckband die Profilendumströmung, bei Verdichtern noch verstärkt durch die Schleppwirkung der relativ bewegten Wand besonders verlustreich und bewirkt Spaltwirbel und Ablösungen im wandnahen Gebiet. Die Querverbindungen in der Nabenwand bringen, da sie senkrecht zur Hauptströmung austreten, zusätzliche Radial- oder Querkomponenten und damit unerwünschte Störungen in die Primärströmung.refers to boundary layer centrifugation and boundary layer flows with backward-swept blades »so comes not suitable for the task at hand. In the proposal (DAS II06027) existing shrouds for compressors blamed for breaking the flow. In the absence of a shroud, the end flow of the profile is in the case of compressors, the drag effect of the relatively moving wall increases the losses and causes split vortices and detachments in the area close to the wall. The cross connections bring in the hub wall as it is perpendicular to the main flow emerge, additional radial or transverse components and thus unwanted disturbances in the primary flow.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sekundärströmungen so entgegenzuwirken, daß ihre schädlichsten Auswirkungen stark gemildert oder ganz vermieden werden.The invention is based on the object of counteracting the secondary currents so that their most harmful effects be greatly mitigated or avoided altogether.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Leitbleche oder dünne Profile angepaßter Höhe an den äußeren und inneren Begrenzungswänden der Schaufelkanäle im Bereich der verzögerten wandnahen Fluidschichten angebracht werden und düsenförmige ÜberStrömkanäle am Schaufelkopf und Fuß vorgesehen sind, die tangential in die Kontur der Saugseiten einmünden. Die Leitbleche oder Profile können vorne gerundet sein und in Rotoren Verwindungen haben nach den Oeschwindigkeitsdreiecken der wandnahen Schicht.The object is achieved according to the invention in that guide plates or thin profiles of adapted height are attached to the outer and inner boundary walls of the blade channels in the area of the delayed fluid layers close to the wall and are nozzle-shaped About flow channels are provided on the blade head and root, the merge tangentially into the contour of the suction sides. The baffles or profiles can be rounded at the front and in rotors Twists according to the velocity triangles of the layer near the wall.

Die Möglichkeit oder Zweckmäßigkeit der Anbringung der einen •oder anderen Maßnahme oder Kombinationen von beiden richtetThe possibility or expediency of applying one or the other measure or combinations of both is directed

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sich jeweils danach, ob es eich um ein Leit- oder Laufrad, einen Verdichter oder eine Turbine, eine Radial- oder eine Axialmaschine handelt und inwieweit sich durch die konstruktive Oesamtlösung der Turbomaschine Grenzschichten aufgebaut haben. In schaufellosen Diffusoren von Radialmaschinen, symmetrischen oder asymmetrischen Spiralgehäusen können ebenfalls sinnvoll angebrachte Leitbleche oder Profile, die Entstehung der Doppelwirbel bzw. Stabwirbel verhindern.depending on whether it is a guide or impeller, a compressor or a turbine, a radial or an axial machine and to what extent boundary layers are built up due to the overall structural solution of the turbo machine to have. In vane-less diffusers of radial machines, symmetrical or asymmetrical spiral housings, sensibly attached baffles or profiles can also prevent the formation of double vortices or rod vortices.

Die Leitbleche oder dünnen Profile an der äußeren und inneren Begrenzungswand des Schaufelkanals verhindern, daß die verzögerten wandnahen Schichten der Zuströmung zur Profilsaugseite fließen, vielmehr werden sie in Richtung der Primärströmung geführt. Das gleiche gilt für die wandnahen Schichten auf der Profildruckseite, die bei NichtVorhandensein dieser Leitbleche über die kanalbegrenzende Wand ebenfalls zur Saugseite fließen. Ähnliches bewirken Kanäle, die im Bereich der Wandgrenzschichten eine Verbindung zwischen Druck- und Saugseite herstellen. Es ist wichtig, daß diese Kanäle angepaßter Höhe etwa tangential in die Kontur der Saugseite einmünden. Die Zulaufgrenzschichten sowie die verdrängten oder zentrifugieren Grenzschichten der Druckseite finden nun in Wandnähe ein verändertes Druckpotential vor und treten teilweilse in diese Kanäle ein. In Laufrädern wird ihnen durch Druckgefälle und mechanisch durch die bewegte Oberströmkanalwand Energie zugeführt, wodurch sie energiereicher und in Hauptetrömungsrichtung auf der Saugseite austreten. Dadurch werden die bekannten Randablösungen auf der Saugseite vermieden, die maximal mögliche Umlenkung erhöht und die Zuströe-The baffles or thin profiles on the outer and inner boundary wall of the blade channel prevent the delayed layers of the inflow close to the wall flow to the profile suction side, rather they are guided in the direction of the primary flow. The same applies to the layers close to the wall on the profile pressure side, which, in the absence of these baffles, are also used over the channel-delimiting wall Flow on the suction side. Channels in the area have a similar effect of the wall boundary layers establish a connection between the pressure and suction side. It is important that these channels of an adapted height open approximately tangentially into the contour of the suction side. The inflow boundary layers as well as the displaced or centrifuge boundary layers of the pressure side can now be found in In the vicinity of the wall, a changed pressure potential occurs and partially enters these channels. In wheels they will get through Pressure gradient and energy supplied mechanically through the moving upper flow duct wall, making them more energetic and in Main flow direction exit on the suction side. Through this the known edge detachments on the suction side are avoided, the maximum possible deflection is increased and the inflow

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bedingungen für die nachfolgenden Stufen verbessert.conditions for the following stages improved.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele anhand schematischer Darstellungen erläutert. Dieee Zeichnungen zeigen inIn the following, several exemplary embodiments are illustrated schematically Illustrations explained. The drawings show in

Fig. 1 ein axiales Laufradgitter mit Außendeckband (2). Dünn· Leitbleche (1) oder Profile (1) am Deckband (2) und/oder an der Nabe (3) angeordnet, deren Höhe jeweils der Grenzschichtdicke angepaßt wird, führen die Zuströmgrenzschichten und die von der Druckseite (5) des Schaufelprofils (4) abfließende Grenzschicht in Richtung der Hauptströmung. Hierdurch wird der Transport energiearmen Materials auf die Profilsaugseite und das nachfolgende Aufrollen zum inneren und äußeren Kanalwirbel vermieden. Die Hauptströmung löst in den Randzonen nicht mehr von der Profilsaugseite (6) ab. Pig. 2 ein axiales Verdichterlaufrad ohne Außendeckband mit einem Spalt (lo) zwischen den äußeren Schaufelenden und der Gehäusewand (9). Die äußeren freien Schaufelenden sind so eingefräst, daß von der Druckseite (5) zur Saugseite (6) hin düsenförmige Kanäle (7) mit dünnen Zwischenwänden (8) entstehen, die etwa tangential in die Profilsaugseite (6) einmünden. Die Höhe der Kanäle riohtet sich jeweils nach der Grenzschichtdicke. Der freie Spalt (lo) zwischen den Oberkanten der Zwischenst ge (8) und dem Gehäuse (9) soll bei Betriebsdrehzahl möglichst gering sein. Pig. 3 ein Radialverdichterlaufrad (11) und eine Leitvorrichtung (12) im Radialschnitt. Leitbleche (1) auf den Begrenzungswänden der Sohaufelkanäle, deren Höhe der jeweiligen Orenjteehicfatdieke «agepaftt ist, verhindern Fig. 1 shows an axial impeller grid with an outer shroud (2). Thin baffles (1) or profiles (1) arranged on the shroud (2) and / or on the hub (3), the height of which is adapted to the boundary layer thickness, guide the inflow boundary layers and those from the pressure side (5) of the blade profile (4 ) outflowing boundary layer in the direction of the main flow. This avoids the transport of low-energy material to the profile suction side and the subsequent rolling up to the inner and outer canal vortices. The main flow no longer detaches from the profile suction side (6) in the edge zones. Pig. 2 an axial compressor impeller without an outer shroud with a gap (lo) between the outer blade ends and the housing wall (9). The outer free blade ends are milled in such a way that from the pressure side (5) to the suction side (6) there are nozzle-shaped channels (7) with thin intermediate walls (8) which open approximately tangentially into the profile suction side (6). The height of the channels depends on the thickness of the boundary layer. The free gap (lo) between the upper edges of the intermediate bars (8) and the housing (9) should be as small as possible at operating speed. Pig. 3 a radial compressor impeller (11) and a guide device (12) in radial section. Prevent guide plates (1) on the boundary walls of the Sohaufelkanal, the height of which is dependent on the respective Orenjteehicfatdieke "

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den Transport der wandnahen energiearmen Strömungsschichten zur Saugseite (6). Dadurch wird die Ablösung auf der Saug-* seite und die starken Geschwindigkeitsgradienten der Hauptströmung infolge Kanalblockierung vermieden. Außerdem werden die Anströmbedingungen fUr die Leitvorrichtung verbessert. Pig. H und *> zeigen Schnitte durch die Strömungskanäle der Leitvorrichtung (12, Fig. 3) und des Laufrades (11, Fig. 3) mit den Leitblechen (1) auf den Begrenzungswänden (13, 14).the transport of the low-energy flow layers close to the wall to the suction side (6). This avoids the separation on the suction side and the strong velocity gradients of the main flow due to channel blockage. In addition, the flow conditions for the guide device are improved. Pig. H and * > show sections through the flow channels of the guide device (12, Fig. 3) and the impeller (11, Fig. 3) with the guide plates (1) on the boundary walls (13, 14).

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

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Claims

ι 1. Guide or impeller grid for axial, diagonal or ra- " diale turbo-machines, characterized in that on one or more baffles or thin profiles are built into the channel-delimiting walls between the profiles whose height corresponds approximately to the existing boundary layer thickness and whose entry angle and exit angle match the qitter data in the installation zone.

2. Leit * and impeller grid according to claim 1, characterized in that the guide plates in their inflow and outflow angles the speed triangles within the boundary layer are adapted, resulting in a twist.

3. guide and impeller grille according to claim 1, characterized in that that the baffles are designed for a mean value of the speed triangles in the boundary layer and thus are not wounded.

k. Guide and impeller grille according to claims 1, 2 and 3 *, characterized in that when non-profiled guide plates are used, these have rounded bulges on the leading edges.

5. guide and impeller grid by claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that the height of the guide plates is only part of the Orenzschichtdicke.

6. guide and impeller grille according to claim 1, characterized in that that within the effective range of the wall

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grenzschiohten die Schaufelprofile von der Druckseite zur Saugseite hin düsenförmige und gitterförmige überströmkanäle aufweisen, die etwa tangential in die Kontur der Saugseite einmünden und deren Höhe der Wandgrenzschichtdicke entspricht oder weniger als diese beträgt* so daß die Sekundärströmung vermieden wird.The blade profiles bordered from the pressure side to the suction side have nozzle-shaped and grid-shaped overflow channels, which are approximately tangential to the contour open on the suction side and the height of which corresponds to the wall boundary layer thickness or is less than this * so that the secondary flow is avoided.

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