DE3023466C2 - Einrichtung zur Verminderung von Sekundärströmungsverlusten in einem beschaufelten Strömungskanal - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Einrichtung dieser Art ist durch Abstract aus der JP-A2-Veröffer«iichung 52-67 404 bei einem Axialschaufelkranz bekannt Die SekiJidärströmungs- bzw. Randverlusie werden u. a. dadurch hervorgerufen, daß die in den beschaufelten Stiömur-skanal eintretende und die an den Kanalwänden entstehende Wandgrenzschicht, angetrieben in jedem Einzelkanal vom Quer-Druckgefälle von der Schaufeldruckseite zur Schaufelsaugseite, die Schaufelsaugseite erreicht und diese zur Kernströmung schräg querströmende Sekundärströmung (auch schräge Querströmung der Kanalwandgrenzschicht genannt) die Grenzschicht an der Schaufelsaugseite vergrößert Hierbei entstehen Sekundik'-strömungs- bzw. Randwirbel, die insbesondere bei Axialturbinenschaufeln niedrigen Seitenverhältnisses (Schaufelradiallänge : Schaufelsehnenlänge), die Güte der Energieumsetzung stark beeinflussen.

Die bekannte Staustufe wirkt mit ihrer Stirnfläche (Stirn) der schrägen Quer- bzw. Sekundärströmung entgegen. Dieses Hindernis ruft einen keilförmigen Aufstau dieser Strömung bzw. der Grenzschicht heiv< .r und führt beim Überströmen der freien Kante dieser Stirnfläche vorteilhafterweise zur Bildung einer neuen Grenzschicht auf der Staustufenoberfläche (Auftritt) der Staustufe. Für den Abtransport des an der Stirnfläche aufgestauten Fluids sorgen ein Stromabwärts-Druckgefälle und/oder eine Vermischung dieses Fluids mit dem Fluid der Kernströmung. Es ergibt sich eine verlustarme Schaufelsaugseitenströmung nahe der Kanalwand. Die Stärke des von der Schaufelsaugseite weg zur Stirnfläche verlegten Sekundärwirbels ist geringer, und die Mischverluste an der freien Kante sind ebenfalls geringer.

Die Stirnfläche verläuft, längs verfolgt, schräg zur schrägen Querströmung. Dabei deckt sich dieser Schrägverlauf der Stirnfläche zumindest grob mit dem gekrümmten Verlauf des Kanals. Somit trifft, obwohl die Stirnfläche höher als die Grenzschichtdicke ist, die ebenfalls diesen gekrümmten Verlauf aufweisende Kernströmung nicht auf die Stirnfläche, so daß diesbezüglich praktisch keine Störung auftritt Jedoch weisen die Staustufen am Eintritt und Austritt der Kanäle Seitenflächen, so hoch wie die Stirnflächen, auf, was weitere Strömungsverluste in den Kanalwandgebieten zur Folge hat, und zwar beim Einströmen in die Kanäle und Ausströmen aus den Kanälen und auch beim Oberströmen von einem Laufschaufelkranz 7u einem

ίο Leitschaufelkranz oder umgekehrt

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verminderung der Sekundärströmungsveriuste unter Verringerung oder praktisch unter Beseitigung jener weiteren Strömungsverluste zu erreichen.

ι;, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Seitenflächen der Staustufen sind hier nicht vorhanden. Die Strömung in den Kanalwandgebieten beim genannten Ein-, Aus- und Überströmen ist verlustarm oder praktisch verlustfrei. Trotzdem bleibt es aber bei der genannten Verlustarmut der Schaufelsaugseitenströmung nahe der Kanalwand, denn hauptsächlich verursacht ein mittlerer Teil der schrägen Querströmung die Sekundärströmungsveriuste, und dieser mittlere Teil wird von der konvex gekrümmten Staustufe erfaßt und aufgestaut

Die Höhe des Maximums der Stauuufe bzw. der in Kanalrichtung einfach konvex gekrümmten Staustufenoberfläche liegt in der Größenordnung der Grenz- schichtdicke der schrägen Querströmung ohne eine Staustufe und ist vorzugsweise etwa gleich dieser Dicke bis etwa doppelt so groß wie diese Dicke.

Zwei vorteilhafte Aus- oder Weiterbildungen der Erfindung sind im Anspruch 2 als Alternativen angege ben. Bei der ersten Alternative findet der verlustarme bzw. praktisch verlustfreie Zustrom zur und Abstrom von der Staustufe innerhalb des Kanals statt, so daß Wand- oder Schaufelplattform-Fortsetzungen vor dem Eintritt und hinter dem Austritt des Kanals in diesem Zusammenhang entfallen können, d.h. es kann die Kanalwand oder eine Schaufelplattform etwa an diesem Eintritt beginnen und etwa an diesem Austritt enden. Bei der zweiten Alternative werden auch noch der vordere Teil und der hintere Teil der schrägen Querströmung, die wenig sekundärverlustverursachend sind, mindestens zum Teil von der Staustufe erfaßt bzw. aufgestaut.

Die Erfindung kann bei Leit- und/oder Laufschaufelkränzen bzw. bei eieren Kanalwänden bzw. Staustufen angewendet werden.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung bei einem Einzelkanal eines beschaufelten otrömungskanals einer Axialturbine an der radial inneren Kanalwand schematisch und vereinfacht darge stellt.

F i g. 1 bis 3 zeigen eines der Ausführungsbeispiele, und zwar in

Fig. I in einer Draufsicht in turbinenradialer Richtung I, in

F i g. 2 etwas vergrößert in einem Turbinenquerschnitt IT-TI und in

Fig. 3 in einem Schnitt III-III. Fig.4 und 5 zeigen das andere Ausführungsbeispiel, wobei die Kanalwand mit den Schaufeln gemäß Fig.4 in einer Ebene abgewickelt und perspektivisch dargestellt und gemäß Fig. 5 in Ansicht aus Richtung V dargestellt ist. Gemäß Fig. I bis 3 bilden eine Schaufel 10 und eine

Schaufelplattform M eins Einheit und eine Schaufel 11 und eine Schaufelplattform 13 eine weitere Einheit Die Plattformen i2 und 13 sind in der Draufsicht gemäß F i g. 1 parallelognsrnmförmig. Sie sind gleich, bilden die radial innere Kanalwand des zwischen seinen» Sinlritt 19 und Austritt 37 gekrümmt verlaufenden Kanals und stoßen mit ihren schräg zur Umfangsrichtiing (Pfer'. 15} gsradv; verlaufenden, radial stehenden Flächen 16 und 17 aneinander. Durch den schaufelseitigen Kanalwandteil, am schaufelsaugseitigen Teil 47 der Plattform 13, ist eine Staustufe gebildet Diese besteht aus einer zur konkave;! ÜVückseite 20 der Schaufel 10 weisenden, radial stehenden Stirnfläche 14 und einer Staustufenoberfläche 29 und reicht von der freien Kante der Stirnfläche 14 durchgehend bis zur konvexen Saugseite 21 der Schaufel 11. Die Stirnfläche 14 verläuft in ihrer Längsrichtung gerade, in darselben Richtung wie die Stoßflächen 16 und 17. Die Stirnfläche 14 und die Stoßfläche 17 der Plattform 13 gehen ineinander über. Die Stirn- und Stoßfläche 14, 17 verläuft im wesentlichen näher der Saugseite 21 als der Druckseite 20. Die Kanalwand setzt sich aus der Staustufe 14, 29 und der Oberfläche 28 des schaufeldruckseitigen Teils der Plattform 12 zusammen. Die Oberflächen 28 und 29 sind Teile von Umdrehungsflächen um die nicht dargestellte Turbinenlängsachse.

Die Staustufenoberfläche 29 beginnt etwa am Eintritt 19 und endet etwa am Austritt 37, ist — siehe F i g. 3 — auf dieser ganzen Strecke in Kanalrichtung — siehe den Doppelpfeil 53 — einfach konvex gekrümmt und geht an ihren etwa am Eintritt 19 und etwa am Austritt 37 befindlichen Rändern 38 und 39 ohne Sprung in die Kanalwand über, die sich wie die die Kanalwand bildenden Plattformen 12 und 13 in Kanalrichtung über den Eintritt 19 und den Austritt 37 hinaus fortsetzen. Die beiden Übergänge an den Rändern 38 und 39 befinden sich etwa am Eintritt 19 und Austritt 37. Die Stirnfläche 14 beginnt am Punkt 40 und endet am Punkt 41.

In Fig. 1 stellen die mit den Strömungsrichtungspfei-, len versehenen Stromlinien 18 die schräge Querströmung dar, inrbesondere wenn man sich die Staustufe 14, 29 wegdenkt. Die Stirnfläche 14 verläuft in ihrer Längsrichtung schräg zur schrägen Querströmung. Die eintretende Grenzschicht löst sich an den Stellen 22 und 23 wie eine »Bugwelle« vor den runden Schaufelvorderkanten 24 und 25 ab, und die von der Stelle 22 kommende Stromlinie 18' erreicht ar· der Stelle 26 die Saugseite 21. Hauptsächlich ist ein mittlerer Teil der schrägen Querströmung sekundärströmungsverlusterzeugend. Dieser mittlere auf die Stirnfläche 14 bzw. die Saugseite 21 treffende Teil reicht etwa von der Stromlinse 18" bis etwa zur Stromlinie 18'". Außerdem sind in F i g. 1 noch Linien 27 gleichen Drucks gestrichelt eingezeichnet Sie kennzeichnen ein Stroinabwärts-Druckgefälle im Kanal, in Fig.2 sind die schräg querströmende Grenzschicht 3i> — siehe den i*fc:I 32 > ,;d den Wirbelpfeil 33 — an der überttäehe i» und die i-a; aer Staustufenoberfläche 29 neu entstandene Grenzschicht 31 zu sehen. Durch die Stirnfläche 14 wird die Grenzschicht 30 keilförmig aufgestaut ύ. b Jie Dicke der Grenzschicht 30 wächst bis zur Stirnfläche 14 auf deren Höhe an — siehe die Grenzschich^Grenzlinie

ίο 34. Durch die Stirnfläche 14 abgebremstes Grenzschichtfluid wird aus dem vor der Stirnfläche 14 befindlichen Gebiet 35 kernsiromabwärts tran&punicrt. Die Grenzlinie der Grenzschicht 31 ist mil 36 bezeichnet

Gemäß F i g. 4 und 5 bilden eine Schaufel 10 und eine Schaufelplattform 44 eine Einheit und eine Schaufel 11 und eine Schaufelplattform 45 eine weitere Einheit Die Plattformen 44 und 45 sind gleich, bilden die radial innere Kanalwand des zwischen seinem Eintritt 19 und Austritt 37 gekrümmt verlaufenden Kanals und stoßen mit radial stehenden Stoßflächen 46 aneinander. Durch den schaufelsaugseitigen Kanalwam/.eil, am schaufelsaugseitigen Teil der Plattform 45, ist eine Staustufe gebildet Diese besteht aus einer zur Druckseite 20 der Schaufel 10 weisenden, radial stehenden Stirnfläche 42 und einer Staustufenoberfläche 43 und reicht von der freien tiante der Stirnfläche 42 durchgehend bis zur Saugseite 21 der Schaufel 11. Die Stirnfläche 42 und die Stoßflächen 46 verlaufen etwa parallel zur konvexen Saugseite 21. Die Stirnfläche 42 verläuft, längs verfolgt, schräg zur Querströmung. Die Stirnfläche 42 und die Stoßfläche 46 der Plattform 45 gehen ineinander über. Die Stirn- und Stoßfläche 42, 46 verläuft näher der Saugseite 21 als der Druckseite 20.

Die Staustufenoberfläche 43 ist in Kanalrichtung — siehe den Doppelpfeil 53 — einfach konvex gekrümmt und geht an ihren Rändern 49 und 50 ohne Sprung in die Kanalwandteile 51 und 52 über. Die beiden Übergänge an den Rändern 49 und 50 befinden sich in Kanaldurchströmrichtung hinter dem Eintritt 13 und vor dem Austritt 37. Die Höhe h des Maximums dieser Staustufenoberfläche 43 bzw. dieser Staustufe 42, 43 befindet sich im Mittelgebiet derselben — siehe F i g. 5. Die beiden Übergänge an den Rändern 49 und 50 befinden sich in Kanaldurchströmrichtung hinter dem Eintritt 19 des Kanals und vor dem Austritt 37 des Kanals. Die Plattform 45 (44) beginnt am Eintritt 19 und endet am Austritt 37. Die Kanalwand setzt sich aus dem genannten schaufelsaugseitigen Kanalwandteil, der aus

so der Staustufe 42 und den Kanalwandteilen 51 und 52 besteht, und der Oberfläche 48 des schaufeldruckseiti- · gen Teils der Plattform 44 zusammen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verminderung von Sekundärströmungsverlusten in einem beschaufelten Strömungskanal einer Strömungsmaschine, die jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln eine Staustufe für die schräg querströmende Sekundärströmung an mindestens einer der beiden Kanalwände aufweist, wobei jede Staustufe durch den schaufelsaugseitigen Teil der Kanalwand gebildet ist und dabei mit ihrer Stirnfläche zur Schaufeldruckseite weist und von der freien Kante dieser Stirnfläche durchgehend bis zur Schaufelsaugseite reicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Staustufenoberfläche (29, 43) in Kanalrichtung (53) einfach konvex gekrümmt ist und an ihren Rändern (38, 39; 49, 50) ohne Sprung in die Kanalwand (51,52) übergeht.

2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Obergänge an den Rändern (38, 39; 49, 50) sich in Kanaldurchströmrichtung hinter dem Eintritt (19) und vor dem Austritt (37) des Kanals oder sich etwa an diesem Eintritt (19) und Austritt (37) befinden.