EP1371813A1 - Beschaufelung für Strömungsmaschine - Google Patents

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Publication number
EP1371813A1
EP1371813A1 EP02405491A EP02405491A EP1371813A1 EP 1371813 A1 EP1371813 A1 EP 1371813A1 EP 02405491 A EP02405491 A EP 02405491A EP 02405491 A EP02405491 A EP 02405491A EP 1371813 A1 EP1371813 A1 EP 1371813A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
grooves
blades
center axis
extend
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02405491A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Dr. Greim
Said Dr. Havakechian
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Switzerland GmbH
Original Assignee
Alstom Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Schweiz AG
Priority to EP02405491A priority Critical patent/EP1371813A1/de
Publication of EP1371813A1 publication Critical patent/EP1371813A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations

Definitions

  • the invention relates to the blades for a turbomachine, such as Example turbines and compressors, and especially the surfaces of the Paddles to optimize the flow conditions.
  • the blades of a turbomachine are in their shape and Surface texture designed so that main or primary flow can flow through the vane channel with as little loss as possible and efficiently.
  • the main flow through a turbomachine is, however, caused by leakage, Secondary and profile losses impaired.
  • Dragage losses are caused by the flow that penetrates between the tip of the blade and the flow channel wall despite the labyrinth structures.
  • Profile losses which are essentially friction losses, are caused by frictional forces on surfaces. In addition to the surface roughness and structure, they also depend on the direction of flow. In addition to the direction of flow, the flow state, namely laminar or turbulent, is also decisive, as is the flow speed (which appears in the known Reynolds number) in order to describe the magnitude of the friction losses caused by surface roughness or structures.
  • a surface can appear aerodynamically smooth, even if it has surface structures, for example if it is parallel to the direction of flow. In the first place, however, the smoother the surface, the lower the friction losses, which is why in today's blade manufacturing practice the blade surfaces are made as smooth as possible.
  • the blades in an intermediate stage a structure of grooves, which according to the Milling processes run parallel to the tip and foot of the blades.
  • These grooves are made by further milling and / or so-called tumbling minimized so that it is as smooth as possible, free of milling grooves and / or roughness Surface, and if possible even a mirror-smooth surface.
  • the Smoothness is particularly the case with short blades with a small height-to-chord ratio and high Reynolds number effective to reduce profile losses. With longer blades with a lower Reynolds number, however, the Profile losses make the surface quality less critical.
  • the blades for a turbomachine are in a blade channel arranged, which is formed by the machine housing and the rotor and a Has blade channel center or blade channel center axis, which is at the level of half radial length of the blades.
  • the blades extend in radial longitudinal direction from a blade root to a blade tip and in axial direction from a blade leading edge to a blade trailing edge and each have a pressure and suction side.
  • each blade has a radially inner and a radially outer one Scoop half.
  • the blades have at least one on their suction side Surface structure with several grooves on it, which extend from one blade edge extend to the tip of the blade, to the blade root or to the other blade edge. There are at least one on the surface of the radially outer blade halves Part of the grooves oriented away from the blade channel center axis and on the Surface of the radially inner blade halves of at least part of the grooves of the blade channel center axis is oriented away.
  • the grooves of the surface structure result in an overall view a fan that is symmetrical with respect to the blade channel center axis, the Viewed in simplified terms, in the meridian plane along the bisector runs between the hub and the housing.
  • the fan starts at one Blade edge in the middle area of the blade, that is in the area of half radial longitudinal extension of the blade, and expands radially inward as well radially outwards.
  • the groove structure serves the vortex-shaped secondary flow, which is connected to the curved surfaces of the blade channel towards the center of the blade suction side flows, by means of a flow resistance and a frictional force counteract. As a result, the vortex flow and thus that of your secondary losses caused reduced.
  • the grooves are ideal for this perpendicular or at the largest possible angle to the direction of the secondary flow oriented.
  • the secondary losses when blading with a surface of this type are compared to the secondary losses with blading with smooth Surfaces reduced.
  • the surface structure according to the invention produces potentially increased profile losses by the groove structure in the primary flow causes additional friction. An overall balance of the various losses however, results in a decrease in primary flow losses.
  • the invention is based on blades for all types of turbomachines to use, such as turbines and compressors High-pressure machines with blades with a low height-to-chord ratio is particularly advantageous. It is on both on blades and on Guide vanes possible.
  • the invention is based on an axial turbomachine blading disclosed. However, it is also analog in the case of radially or diagonally flow Blading possible.
  • the grooves are arranged in such a way that they form a fan as a whole, which begins at the front edge and widens towards the blade root, the blade tip and the rear edge.
  • the grooves therefore extend on the radially outer half of the suction side of a moving blade at least in part from the front edge and away from the blade channel center axis to the blade tip or to the rear edge, and on the radially inner half of the suction side at least partly from the front edge in the direction of the blade channel center axis away to the blade root or to the rear edge.
  • the grooves of the fan on the radially outer half of the suction side extend at least in part from the front edge and away from the blade channel center axis to its blade root or to the rear edge, and on the radially inner half of the suction side at least partly from the front edge in the direction from the blade channel center axis away to the blade tip or to the rear edge.
  • the blades have not only on their suction side, but also on their pressure side Surface structure with the grooves according to the invention. Through this Measure further counteracts eddy formation and secondary losses are further reduced.
  • the surface structure on the suction and pressure sides of the blades forms a fan with the same orientation. That means the fan starts on both Sides of the blades in the center area of the front edge and extends to the rear edge and the blade tip and to the blade root. More precisely, on the suction side and on the pressure side of the blades, in each case on the radially outer blade half, at least some of the grooves extend away from the front edge from the blade channel center axis in the direction of the housing or blade channel wall or to the rear edge. On the radially inner blade half, the grooves extend correspondingly from the front edge and in a direction away from the blade channel center axis in the direction of the hub.
  • the surface structure is formed a fan on the suction side with the same orientation as in the described first variant.
  • the fan is in the Compared to the reverse on the suction side. That means the fan begins in the middle of the trailing edge and widens to the tip of the blade Shovel foot and towards the front edge. This measure has an additional effect the flow that starts from the pressure side and the vortex flow caused contrary.
  • the grooves of the The surface structure is straight.
  • run on the radially outer and inner blade half each have at least some of the grooves parallel to each other. They run on the radially outer and inner half of the blade at an angle away from the channel center axis.
  • each groove runs on the suction and / or Print page at an associated angle with respect to the Scoop channel center axis.
  • the angle of those grooves is that of the radial center closest to the shovel, smallest.
  • the angles of the other grooves are as the distance from the radial center of the blade increases greater.
  • the grooves run along a curved path.
  • the curvature can be either concave or convex with respect to the housing or the hub. In addition to the frictional force that counteracts the secondary flow, such a curvature also causes a pressure gradient to the blade tip or to the blade root, which additionally reduces the secondary flow.
  • the blade surfaces have Area of the radial center of the blades one or more Grooves parallel to the center of the vane channel. More grooves outside of the area with parallel grooves are according to one of the above described versions arranged. That to the blade channel center axis parallel grooves serve an aerodynamically smooth surface and support a low-loss primary flow in this central area.
  • FIG. 1 a shows a plurality of blades 1 of a blading that is on the rotor 2
  • Rotor axis 3 of a turbomachine are arranged. They extend radially from a blade root 4 to a blade tip 5 and axially from one Leading edge 6 to a trailing edge 7.
  • the suction and pressure sides of the Blades 1 are designated 8 and 9, respectively.
  • the arrows 10 indicate that Course of the vortex-shaped secondary flow in the suction side 8 of the Buckets 1 on. In the axial direction there is a helical shape Secondary flow, which affects the main flow 11.
  • Figure 1 b also explains the secondary flow in the blading and in particular the flow 12 and 12 'from the center of a blade pressure side 9 radially outwards or radially inwards to the boundary layer at the curved surfaces 13 of the blade channel flows and in the area of Suction side 8 forms vortex directed towards the middle of the suction side 8.
  • Figure 1c shows a blade channel 30 through the hub 31 and the housing 32 of the turbomachine is formed.
  • Rotor and guide blades 1 are on the rotor fixed with rotor axis 3 or on the housing 32.
  • the blade channel 30 has a defined blade channel center axis 18, which is along the bisector between the hub 31 and the wall of the housing 32 and each on the half radial longitudinal extent of the individual guide and rotor blades 1 runs.
  • Figure 2 shows an embodiment of a blading with an inventive Surface structure.
  • This version and all subsequent versions of Figures 3 to 8 are each shown using the example of blades, they are to be applied accordingly to guide vanes.
  • the surface structure is only on the suction side 8 of the blades 1 is arranged.
  • the surfaces of the printed pages 9 are conventional made smooth.
  • the surface structure has grooves 15 on the radial Outer blade half 16 starting from the front edge 6 in one Extend direction away from the blade center axis 18 and to the trailing edge 7 or lead to the tip of the blade 5.
  • On the radially inner blade half 17 the grooves extend from the leading edge 6 in a direction away from the Blade channel center axis 18 and lead to the rear edge 7 or Blade root 4.
  • the groove structure thus forms a kind of fan, which differs from the Spread the leading edge out to the trailing edge.
  • the grooves also run on each Blade half parallel to each other.
  • FIG. 3 shows an expanded embodiment of the invention, in which the suction sides and the pressure sides of the blades with the inventive Surface structure have been made.
  • the suction side 8 and the pressure side 9 has the same groove structure as described for FIG. 2.
  • the subjects therefore have the same orientation on both sides of the blade.
  • Figure 4 shows a variant of the execution of Figure 3. While in Figure 4 the fan-like groove structure on the suction side 8 in turn from the front edge starting to expand towards the rear edge, it has on the pressure side 9 opposite orientation. There the grooves run from the rear edge on the radially outer blade half 16 in a direction from the Blade channel center axis 18 away from front edge 6 or blade tip 5 out. The grooves 15 run on the radially inner blade half 17 Trailing edge 6 from in a direction away from the blade channel center axis 3 to Blade root 4 or towards the front edge 7.
  • the grooves run in a straight line and parallel to each other.
  • Figures 5 to 8 are several variants of groove structures disclosed, which are applicable to the embodiments of Figures 2 to 4.
  • the orientation of the Expansion of the fan-like groove structure is also possible in reverse, that is starting from the trailing edge and spreading to the leading edge.
  • FIG. 5 shows a variant of the groove structure according to the invention with a straight line Grooves.
  • the grooves 15 in particular each run in a direction assigned to them with respect to the blade channel center axis 18.
  • the grooves 15 start from one Area on the leading edge 6 around the radial blade center 18 and guide on the one hand to the blade tip 5 or trailing edge 7 or on the other hand to Blade base 4 or the rear edge 7.
  • Regarding bucket center 18 the grooves run at ever increasing angles to the blade ends 4,5 or the trailing edge 7.
  • the grooves are in a central area of the blade arranged like a fan as shown in Figure 5, while outside this The grooves parallel to the tip of the blade and the blade root run to each other, as shown in Figure 4.
  • FIG. 6 shows a further variant of the groove structure according to the invention, the Grooves in a central area 19 around the radial center 18 of the blade a plurality of grooves 20 which run parallel to the blade channel center axis 18. Outside of this central region 19 there are further grooves 15 of the type shown in FIG. 5 arranged, which run like a fan and straight.
  • FIG. 7 shows a further groove structure according to the invention, the grooves 21 of which are arranged like a fan, the individual grooves along a curved path.
  • the curvature is in the radially outer one Blade half 16 with respect to the blade tip 5 and in the radially inner one Blade half 17 of the blade root 4 each concave.
  • FIG. 8 shows a groove structure which is similar to that in FIG. 7, the grooves 22 each follow a curved path, the curvature of which with respect to the Blade tip 5 and the blade root 4 are each convex.
  • the curved grooves of FIGS. 7 and 8 are in each Blade half arranged parallel to each other. Furthermore, in one Another variant arranged in the radial center region of the blade grooves run parallel to the tip of the blade, as shown in FIG. 6, and outside of this area curved grooves of the type of FIGS. 7 and 8 arranged.
  • each groove and the distance between adjacent grooves are in accordance with the height-to-chord ratio of the blades customized.
  • the depth of the grooves are large and the distances to choose between the grooves small.
  • the depth should be chosen to be relatively small and the distances relatively large. Furthermore, grooves of different depths and at different distances from one another can also be made on a single blade surface.
  • the surface structure according to the invention is suitable for milled and forged blades.
  • the groove structure is preferably made by milling manufactured.

Landscapes

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Abstract

Die in einem Schaufelkanal (30) angeordneten Schaufeln (1) einer Strömungsmaschine weisen erfindungsgemäss eine Oberflächenstruktur mit mehreren Rillen (15) auf, die sich von der Schaufelvorderkante (6) fächerartig zur Schaufelspitze (5), zum Schaufelfuss (4) und zur Schaufelhinterkante (7) erstrecken. Auf der Oberfläche der radial äusseren Schaufelhälften (16) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) sind die Rillen (15) jeweils von einer Schaufelkanalmittenachse (18) weg orientiert. Die Oberflächenstruktur dient dazu, einer wirbelförmigen Sekundärströmung mittels einem Strömungswiderstand und einer Reibungskraft entgegenzuwirken, wodurch Sekundärverluste vermindert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Schaufeln für eine Strömungsmaschine, wie zum Beispiel Turbinen und Verdichter, und insbesondere die Oberflächen der Schaufeln zwecks Optimierung der Strömungsverhältnisse.
Stand der Technik
Die Schaufeln einer Strömungsmaschine sind in ihrer Form und Oberflächenbeschaffenheit derart gestaltet, dass Haupt- oder Primärströmung möglichst verlustarm und effizient durch den Schaufelkanal strömen kann. Die Hauptströmung durch eine Strömungsmaschine wird jedoch durch Leckage-, Sekundär sowie Profilverluste beeinträchtigt.
Leckageverluste werden durch jene Strömung verursacht, die trotz Labyrinthstrukturen zwischen Schaufelspitze und Strömungskanalwand hindurchdringt.
Profilverluste, die im wesentlichen Reibungsverluste sind, werden durch Reibungskräfte an Oberflächen verursacht. Sie hängen neben der Oberflächenrauhigkeit und -struktur auch von der Strömungsrichtung ab. Neben der Strömungsrichtung ist der Strömungszustand, nämlich laminar oder turbulent, entscheidend sowie auch die Strömungsgeschwindigkeit, (die in der bekannten Reynoldszahl erscheint) um die Grösse der durch Oberflächenrauhigkeit oder-strukturen verurasachten Reibungsverluste zu beschreiben. So kann zum Beispiel eine Oberfläche aerodynamsich glatt wirken, selbst wenn sie Oberflächenstrukturen aufweist, zum Beispiel wenn sie parallel zur Strömungsrichtung verlaufen. In erster Linie sind jedoch Reibungsverluste um so geringer, je glatter die Oberfläche ist, weshalb in der heutigen Praxis der Schaufelherstellung die Schaufeloberflächen möglichst glatt gefertigt werden.
Bei der Herstellung von Schaufeln durch Fräsverfahren weisen die Schaufeln in einem Zwischenstadium eine Struktur von Rillen auf, die gemäss dem Fräsverfahren jeweils parallel zur Spitze und zum Fuss der Schaufeln verlaufen.
Diese Rillen werden durch weiteres Fräsen und/oder sogenanntes Tumbling minimiert, sodass eine möglichst glatte, von Fräsrillen und/oder Rauhigkeiten freie Oberfläche, und wenn möglich sogar eine spiegelglatte Oberfläche entsteht. Die Glattheit ist insbesondere bei kurzen Schaufeln mit kleinem Höhen-zu-Sehnen-Verhältnis und hoher Reynoldszahl zur Verringerung der Profilverluste wirksam. Bei längeren Schaufeln mit tieferer Reynoldszahl ist hingegen bezüglich der Profilverluste die Oberflächenbeschaffenheit weniger kritisch.
Sekundärverluste entstehen durch eine Wirbelströmung, die aufgrund des Druckunterschieds zwischen benachbarten Schaufeln erzeugt werden. Das Kräftegleichgewicht zwischen dieser Druckkraft (zwischen der Druck- und Saugseite benachbarter Schaufeln) und der Zentripetalkraft (aufgrund der sich auf gekrümmten Bahnen bewegenden Fluides) kann in der Seitenwandgrenschicht (an der Nabe bzw. Gehäuse) nicht mehr aufrecht erhalten werden. Deshalb bewegt sich das Fluid innerhalb dieser Seitengrenzschichten von der Druckseite einer Schaufel zur Saugseite einer benachbarten Schaufel. Aus Kontinuitätsgründen wird dadurch Fluid auf der Schaufeldruckseite von der Kanalmitte radial nach aussen in Richtung der Seitenwände bzw. auf der Schaufesaugseite radial nach innen in Richtung Kanalmitte bewegt. Diese Fluidbewegung lässt zwei Wirbel entstehen, die sich überlagert mit der Hauptströmung helixförmig durch den Strömungskanal bewegen. Diese helixfömige Strömung ist auch unter Sekundärwirbel oder Sekundärströmung bekannt.
Je kleiner das Höhen-zusehnen-Verhältnis der Schaufeln ist, bzw. je grösser die Belastung (das heisst der Druckunterschied zwischen Schaufelsaug- und druckseite) ist, desto grösser sind die durch die Sekundärströmung verursachten Verluste. Ihre Grösse kann dabei die der Reibungsverlsute deutlich übersteigen.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, Schaufeln für eine Strömungsmaschine zu schaffen, deren Primärströmung im Vergleich zum Stand der Technik verminderte Verluste, insbesondere verminderte Sekundärverluste erfährt.
Diese Aufgabe ist durch Schaufeln für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Schaufeln für eine Strömungsmaschine sind in einem Schaufelkanal angeordnet, der durch das Maschinengehäuse und den Rotor gebildet ist und eine Schaufelkanalmitte oder Schaufelkanalmittenachse aufweist, die auf der Höhe der halben radialen Länge der Schaufeln verläuft. Die Schaufeln erstrecken sich in radialer Längsrichtung von einem Schaufelfuss zu einer Schaufelspitze sowie in axialer Richtung von einer Schaufelvorderkante zu einer Schaufelhinterkante und weisen jeweils eine Druck- und Saugseite auf. Entlang ihrer radialen Längserstreckung besitzt jede Schaufel eine radial innere und eine radial äussere Schaufelhälfte.
Erfindungsgemäss weisen die Schaufeln zumindest auf ihrer Saugseite eine Oberflächenstruktur mit mehreren Rillen auf, die sich von der einen Schaufelkante zur Schaufelspitze, zum Schaufelfuss oder zur anderen Schaufelkante erstrecken. Dabei sind auf der Oberfläche der radial äusseren Schaufelhälften mindestens ein Teil der Rillen von der Schaufelkanalmittenachse weg orientiert sowie auf der Oberfläche der radial inneren Schaufelhälften mindestens ein Teil der Rillen von der Schaufelkanalmittenachse weg orientiert.
Die Rillen der Oberflächenstruktur ergeben in einer gesamthaften Betrachtung einen Fächer, der bezüglich Schaufelkanalmittenachse symmetrisch ist, die vereinfacht angesehen, in der Meridianebene entlang der Winkelhalbierenden zwischen Nabe und Gehäuse verläuft. Der Fächer beginnt an der einen Schaufelkante im Mittenbereich der Schaufel, das heisst im Bereich der halben radialen Längserstreckung der Schaufel, und weitet sich radial einwärts sowie radial auswärts aus.
Die Rillenstruktur dient dazu, der wirbelförmigen Sekundärströmung, die an den gekrümmten Oberflächen des Schaufelkanals zur Mitte der Schaufelsaugseite hin strömt, mittels einem Strömungswiderstand und einer Reibungskraft entgegenzuwirken. Dadurch werden die Wirbelströmung und damit auch die von ihr verursachten Sekundärverluste vermindert. Hierzu sind die Rillen idealerweise senkrecht oder in möglichst grossem Winkel zur Richtung der Sekundärströmung orientiert.
Die Sekundärverluste bei einer Beschaufelung mit einer Oberfläche dieser Art sind im Vergleich zu den Sekundärverlusten bei einer Beschaufelung mit glatten Oberflächen reduziert. Die erfindungsgemässe Oberflächenstruktur erzeugt potentiell vermehrte Profilverluste, indem die Rillenstruktur in der Primärströmung zusätzliche Reibung verursacht. Eine gesamte Bilanz der verschiedenen Verluste ergibt jedoch eine Verminderung der Verluste für die Primäströmung.
Die Erfindung ist auf Beschaufelungen für Strömungsmaschinen aller Art anzuwenden, wie zum Beispiel Turbinen und Verdichter, wobei sie bei Hochdruckmaschinen mit Schaufeln mit geringem Höhen-zu-Sehnen-Verhältnis besonders von Vorteil ist. Sie ist auf sowohl auf Laufschaufeln als auch auf Leitschaufeln realisierbar.
Die Erfindung wird hier anhand einer axialen Turbomaschinenbeschaufelung offenbart. Sie ist jedoch auch analog bei radial oder diagonal durchströmten Beschaufelungen realisierbar.
Verschiedene Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäss einer ersten Ausführung der Erfindung weisen nur die Schaufelsaugseiten eine Oberflächenstruktur mit den erfindungsgemässen Rillen auf. Die Sekündärwirbel bewegt sich auf ihrer helixförmigen Bahn von der Schaufeldruckseite zur Schaufelsaugseite zweier benachbarter Schaufeln und überstreicht tendenziell einen grossen Bereich der Schaufelsaugseite. Deshalb ist eine erfindungsgemässe Oberflächenstruktur auf der Saugseite zur Verminderung der Sekundärverluste bereits schon wirksam.
In einer besonderen Ausführung sind die Rillen so angeordnet, dass sie gesamthaft einen Fächer bilden, der an der Vorderkante beginnt und sich zum Schaufelfuss, zur Schaufelspitze sowie zur Hinterkante hin ausweitet. Die Rillen erstrecken sich also auf der radial äusseren Hälfte der Saugseite einer Laufschaufel zumindest zum Teil von der Vorderkante und von der Schaufelkanalmittenachse weg zur Schaufelspitze oder zur Hinterkante, und auf der radial inneren Hälfte der Saugseite zumindest zum Teil von der Vorderkante in Richtung von der Schaufelkanalmittenachse weg zum Schaufelfuss oder zur Hinterkante.
Im Fall einer Leitschaufel erstrecken sich die Rillen des Fächers auf der radial äusseren Hälfte der Saugseite zumindest zumTeil von der Vorderkante und von der Schaufelkanalmittenachse weg zu deren Schaufelfuss oder zur Hinterkante, und auf der radial inneren Hälfte der Saugseite zumindest zum teil von der Vorderkante in Richtung von der Schaufelkanalmittenachse weg zu deren Schaufelspitze oder zur Hinterkante.
In einer zweiten und erweiterten Ausführung der Erfindung weisen die Schaufeln nicht nur auf ihrer Saugseite, sondern auch auf ihrer Druckseite eine Oberflächenstruktur mit den erfindungsgemässen Rillen auf. Durch diese Massnahme wird der Wirbelbildung weiter entgegengewirkt, und Sekundärverluste werden weiter vermindert.
In einer ersten Variante dieser erweiterten Ausführung bildet die Oberflächenstruktur auf Saug- sowie Druckseite der Schaufeln gesamthaft einen Fächer mit gleicher Orientierung. Das heisst, der Fächer beginnt auf beiden
Seiten der Schaufeln im Mittenbereich der Vorderkante und weitet sich zur Hinterkante und der Schaufelspitze und zum Schaufelfuss aus. Genauer erstrecken sich auf der Saugseite sowie auf der Druckseite der Schaufeln jeweils auf der radial äusseren Schaufelhälfte zumindest ein Teil der Rillen von der Vorderkante von der Schaufelkanalmittenachse weg in Richtung der Gehäuseoder Schaufelkanalwand oder zur Hinterkante. Auf der radial inneren Schaufelhälfte erstrecken sich die Rillen entsprechend von der Vorderkante und in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse in Richtung der Nabe.
In einer zweiten Variante dieser Ausführung bildet die Oberflächenstrucktur auf der Saugseite einen Fächer von der gleichen Orientierung wie in der beschriebenen ersten Variante. Auf der Druckseite jedoch ist der Fächer im Vergleich zu dem auf der Saugseite umgekehrt orientiert. Das heisst der Fächer beginnt im Mittenbereich der Hinterkante und weitet sich zur Schaufelspitze, zum Schaufelfuss und zur Vorderkante hin aus. Diese Massnahme wirkt zusätzlich jener Strömung, die von der Druckseite ausgeht und die Wirbelströmung verursacht, entgegen.
In einer ersten besonderen Ausführung verlaufen die Rillen der Oberflächenstruktur jeweils geradlinig.
In einer weiteren besonderen Ausführung verlaufen auf der radial äusseren und inneren Schaufelhälfte jeweils zumindest ein Teil der Rillen parallel zueinander. Sie verlaufen dabei auf der radial äusseren sowie inneren Schaufelhälfte jeweils in einem Winkel von der Kanalmittenachse weg.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung verläuft jede Rille auf der Saugund/oder Druckseite in einem ihr zugeordneten Winkel in Bezug auf die Schaufelkanalmittenachse. Dabei ist der Winkel jener Rillen, die der radialen Mitte der Schaufel am nächsten sind, am kleinsten. Die Winkel der weiteren Rillen sind mit zunehmenden Abstand von der radialen Mitte der Schaufel zunehmend grösser.
In einer weiteren besonderen Ausführung der Erfindung verlaufen zumindest ein Teil der Rillen entlang einem gekrümmten Pfad. Die Krümmung kann dabei in Bezug auf das Gehäuse oder der Nabe entweder konkav oder konvex sein.
Eine solche Krümmung bewirkt, zusätzlich zur Reibungskraft, die der Sekundärströmung entgegenwirkt, noch einen Druckgradienten zur Schaufelspitze beziehungsweise zum Schaufelfuss, welcher die Sekundärströmung zusätzlich vermindert.
In einer weiteren besonderen Ausführung weisen die Schaufeloberflächen im Bereich der radialen Mitte der Schaufeln eine oder mehrere zur Schaufelkanalmittenachse parallel verlaufende Rillen. Weitere Rillen ausserhalb des Bereichs mit parallel verlaufenden Rillen sind gemäss einer der oben beschriebenen Ausführungen angeordnet. Die zur Schaufelkanalmittenachse parallel verlaufenden Rillen dienen einer aerodynamisch glatten Oberfläche und unterstützen eine verlustarme Primärströmung in diesem Mittenbereich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figuren 1a und 1b zeigen eine perspektivische beziehungsweise eine zweidimensionale Darstellung der wirbelförmigen Sekundärströmung in der Beschaufelung einer Strömungsmaschine.
  • Figur 1 c zeigt einen Schaufelkanal mit einer Beschaufelung, auf welche die erfindungsgemässe Oberflächenstruktur anwendbar ist.
  • Figur 2 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemässen Rillenstruktur zur Verminderung der Sekundärverluste. Die Rillen sind nur auf der Saugseite der Schaufeln angeordnet und verlaufen jeweils von der Schaufelvorderkante ausgehend parallel zueinander in einem Winkel von der Schaufelkanalmittenachse weg in Richtung Hinterkante.
  • Figur 3 zeigt eine erfindungsgemässe Rillenstruktur auf der Saugseite sowie auf der Druckseite der Schaufeln. Ihre Anordnung ist auf beiden Seiten gleich wie in Figur 2.
  • Figur 4 zeigt eine erfindungsgemässen fächerartige Rillenstruktur auf Saug- und Druckseite der Schaufeln, wobei die Rillen auf der Saugseite einen Fächer bilden, der sich von der Vorderkante zur Hinterkante ausweitet und auf der Druckseite einen Fächer, der sich von der Hinterkante zur Vorderkante hin ausweitet. Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Varianten der erfindungsgemässen Rillenstruktur anwendbar auf Saug- und Druckseite der Schaufeln.
    • Ausführungen der Erfindung
    Figur 1a zeigt mehrere Schaufeln 1 einer Beschaufelung, die auf dem Rotor 2 mit Rotorachse 3 einer Strömungsmaschine angeordnet sind. Sie erstrecken sich radial von einem Schaufelfuss 4 zu einer Schaufelspitze 5 und axial von einer Vorderkante 6 zu einer Hinterkante 7. Die Saugseiten und Druckseiten der Schaufeln 1 sind mit 8 beziehungsweise 9 bezeichnet. Die Pfeile 10 deuten den Verlauf der wirbelförmigen Sekundärströmung im Bereich der Saugseiten 8 der Schaufeln 1 an. In axialer Richtung ergibt sich eine helixförmige Sekundärströmung, welche die Hauptströmung 11 beeinträchtigt.
    Figur 1 b erläutert weiterhin die Sekundärströmung in der Beschaufelung und insbesondere die Strömung 12 und 12', die von der Mitte einer Schaufeldruckseite 9 radial auswärts beziehungsweise radial einwärts zur Grenzschicht an der gekrümmten Oberflächen 13 des Schaufelkanals strömt und im Bereich der Saugseite 8 zur Mitte der Saugseite 8 hin gerichtete Wirbel bildet.
    Figur 1c zeigt einen Schaufelkanal 30, der durch die Nabe 31 und das Gehäuse 32 der Strömungsmaschine gebildet wird. Lauf- und Leitschaufeln 1 sind am Rotor mit Rotorachse 3 bzw. am Gehäuse 32 befestigt. Der Schaufelkanal 30 besitzt eine definierte Schaufelkanalmittenachse 18, die entlang der Winkelhalbierenden zwischen Nabe 31 und der Wand des Gehäuses 32 und jeweils auf der halben radialen Längserstreckung der einzelnen Leit- und Laufschaufeln 1 verläuft.
    Figur 2 zeigt eine Ausführung einer Beschaufelung mit einer erfindungsgemässen Oberflächenstruktur. Diese Ausführung sowie sämtliche folgenden Ausführungen der Figuren 3 bis 8 sind jeweils am Beispiel von Laufschaufeln gezeigt, wobei sie entsprechend auf Leitschaufeln anzuwenden sind.
    In Figur 2 ist die Oberflächenstruktur nur auf der Saugseite 8 der Schaufeln 1 angeordnet ist. Die Oberflächen der Druckseiten 9 sind nach konventioneller Art glatt gefertigt. Die Oberflächenstruktur weist Rillen 15 auf, die auf der radial äusseren Schaufelhälfte 16 von der Vorderkante 6 ausgehend sich in einer Richtung weg von der Schaufelmittenachse 18 erstrecken und bis zur Hinterkante 7 oder zur Schaufelspitze 5 führen. Auf der radial inneren Schaufelhälfte 17 erstrecken sich die Rillen von der Vorderkante 6 in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse 18 hin und führen zur Hinterkante 7 oder zum Schaufelfuss 4. Die Rillenstruktur bildet somit eine Art Fächer, der sich von der Vorderkante aus zur Hinterkante ausbreitet. In der gezeigten Ausführung, sowie den Ausführungen in Figuren 3 und 4, verlaufen ferner die Rillen auf jeder Schaufelhälfte jeweils parallel zueinander.
    Figur 3 zeigt eine erweiterte Ausführung der Erfindung, bei der die Saugseiten sowie die Druckseiten der Schaufeln mit der erfindungsgemässen Oberflächenstruktur angefertigt worden sind. Die Saugseite 8 sowie die Druckseite 9 weist die gleiche Rillenstruktur auf wie zu Figur 2 beschrieben. Die Fächer besitzen also auf beiden Schaufelseiten die gleiche Orientierung.
    Figur 4 zeigt eine Variante zur Ausführung der Figur 3. Während in Figur 4 die fächerartige Rillenstruktur auf der Saugseite 8 wiederum von der Vorderkante ausgehend sich zur Hinterkante hin ausweitet, besitzt sie auf der Druckseite 9 die entgegengesetzte Orientierung. Dort verlaufen die Rillen von der Hinterkante aus auf der radial äusseren Schaufelhälfte 16 in einer Richtung von der Schaufelkanalmittenachse 18 weg zur Vorderkante 6 oder zur Schaufelspitze 5 hin. Auf der radial inneren Schaufelhälfte 17 verlaufen die Rillen 15 von der Hinterkante 6 aus in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse 3 zum Schaufelfuss 4 oder zur Vorderkante 7 hin.
    In den Rillenstrukturen der Figuren 2 bis 4 verlaufen die Rillen geradlinig und parallel zueinander.
    In den folgenden Figuren 5 bis 8 sind mehrere Varianten von Rillenstrukturen offenbart, die auf die Ausführungen der Figuren 2 bis 4 anwendbar sind. Bei der Anwendung auf die Druckseiten der Schaufeln ist dabei die Orientierung der Ausweitung der fächerartigen Rillenstruktur auch umgekehrt möglich, das heisst von der Hinterkante ausgehend und zur Vorderkante sich ausbreitend.
    Figur 5 zeigt eine Variante der erfindungsgemässen Rillenstruktur mit geradlinigen Rillen. Die Rillen 15 verlaufen insbesondere je in einer ihr zugeordneten Richtung bezüglich der Schaufelkanalmittenachse 18. Die Rillen 15 gehen von einem Bereich an der Vorderkante 6 um die radiale Schaufelmitte 18 aus und führen einerseits zur Schaufelspitze 5 oder Hinterkante 7 hin oder anderseits zum Schaufelfuss 4 oder der Hinterkante 7 hin. Bezüglich der Schaufelmitte 18 verlaufen die Rillen in stets grösser werdenden Winkeln zu den Schaufelenden 4,5 oder der Hinterkante 7 hin.
    In einer weiteren Variante sind die Rillen in einem mittleren Bereich der Schaufel fächerartig wie in Figur 5 offenbart angeordnet, während ausserhalb dieses Bereichs, zur Schaufelspitze und zum Schaufelfuss hin die Rillen parallel zueinander verlaufen, wie in Figur 4 gezeigt.
    Figur 6 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemässen Rillenstruktur, deren Rillen in einem Mittelbereich 19 um die radiale Mitte 18 der Schaufel eine oder mehrere Rillen 20 auf, die parallel zur Schaufelkanalmittenachse 18 verlaufen. Ausserhalb dieses Mittelbereichs 19 sind weitere Rillen 15 von der Art der Figur 5 angeordnet, die fächerartig und geradlinig verlaufen.
    Figur 7 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Rillenstruktur, deren Rillen 21 fächerartig angeordnet sind, wobei die einzelnen Rillen entlang einem gekrümmten Pfad verlaufen. Die Krümmung ist in der radial äusseren Schaufelhälfte 16 bezüglich der Schaufelspitze 5 und in der radial inneren Schaufelhälfte 17 dem Schaufelfuss 4 jeweils konkav.
    Figur 8 zeigt eine Rillenstruktur, die der in Figur 7 ähnlich ist, wobei die Rillen 22 jeweils einem gekrümmten Pfad folgen, dessen Krümmung bezüglich der Schaufelspitze 5 und dem Schaufelfuss 4 jeweils konvex ist.
    In einer weiteren Variante sind die gekrümmten Rillen der Figur 7 und 8 in jeder Schaufelhälfte jeweils parallel zueinander angeordnet. Ferner sind in einer weiteren Variante im radialen Mittenbereich der Schaufel Rillen angeordnet, die parallel zur Schaufelspitze verlaufen, wie sie in Figur 6 gezeigt sind, und ausserhalb dieses Bereichs gekrümmte Rillen der Art von Figur 7 und 8 angeordnet.
    Die Tiefe der einzelnen Rillen und die Abstände zwischen benachbarten Rillen sind jeweils entsprechend dem Höhen-zu-Sehnen-Verhältnis der Schaufeln angepasst. Bei Schaufeln mit einer relativ grossen Reynoldszahl, wie zum Beispiel jene in einer Hochdruckturbine, sind die Tiefe der Rillen gross und die Abstände zwischen den Rillen klein zu wählen.
    Hingegen bei Schaufeln mit relativ tiefer Reynoldszahl sind entsprechend die Tiefe relativ klein und die Abstände relativ gross zu wählen.
    Ferner sind auf einer einzigen Schaufeloberfläche auch Rillen von verschiedener Tiefe und mit verschiedenen Abständen zueinander ausführbar.
    Die erfindungsgemässe Oberflächenstruktur eignet sich für gefräste sowie geschmiedete Schaufeln. Die Rillenstruktur wird vorzugsweise durch Fräsen gefertigt.
    Bezugszeichenliste
    1
    Schaufeln
    2
    Rotor
    3
    Rotorachse
    4
    Schaufelfuss
    5
    Schaufelspitze
    6
    Vorderkante
    7
    Hinterkante
    8
    Saugseite
    9
    Druckseite
    10
    Sekundärströmung
    11
    Hauptströmung
    12
    Sekundärströmung
    13
    Grenzschicht
    14
    --
    15
    Rillen
    16
    Radial äusser Schaufelhälfte
    17
    Radial innere Schaufelhälfte
    18
    Radiale Schaufelmitte, Schaufelkanalmittenachse
    19
    Radialer Mittenbereich
    20
    Parallel zur Schaufelspitze verlaufende Rillen
    21,22
    Gekrümmte Rillen
    30
    Schaufelkanal
    31
    Nabe
    32
    Gehäuse

    Claims (10)

    1. Schaufeln (1) für eine Strömungsmaschine, die in einem Schaufelkanal (30) angeordnet sind, wobei der Schaufelkanal (30) durch ein Gehäuse (32) und eine Nabe (31) gebildet ist und entlang der Winkelhalbierenden zwischen Gehäuse (32) und Nabe (31) und auf der halben radialen Längserstreckung der Schaufeln (1) eine Schaufelkanalmittenachse (18) verläuft, und die Schaufeln (1) sich jeweils in einer Längsrichtung von einem Schaufelfuss (4) zu einer Schaufelspitze (5) und in einer axialen Richtung von einer Schaufelvorderkante (6) zu einer Schaufelhinterkante (7) erstrecken und die jeweils eine Saugseite (8) und eine Druckseite (9) sowie entlang ihrer Längsrichtung eine radial äussere Schaufelhälfte (16) und eine radial innere Schaufelhälfte (17) aufweisen, die von der Schaufelkanalmittenachse (18) getrennt werden
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Schaufeln (1) zumindest auf ihrer Saugseite (8) eine Oberflächenstruktur mit mehreren Rillen (15, 20, 21, 22) aufweisen, wobei die Rillen (15, 20, 21, 22) sich jeweils von der einen Schaufelkante (8, 9) zur anderen Schaufelkante (8, 9), zur Schaufelspitze (5) oder zum Schaufelfuss erstrecken, wobei auf der Oberfläche der radial äusseren Schaufelhälfte (16) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) jeweils mindestens ein Teil der Rillen (15, 21, 22) von der Schaufelkanalmittenachse (18) weg orientiert sind.
    2. Schaufeln gemäss Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      auf der Saugseite (8) der Schaufeln (1) zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) sich von der Schaufelvorderkante (6) in einer Richtung von der Schaufelkanalmittenachse (18) weg erstrecken, und zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) sich von der Schaufelvorderkante (6) in einer Richtung von der Schaufelkanalmittenachse (18) weg erstrecken, und die Oberfläche der Druckseite (9) der Schaufeln (1) glatt ist.
    3. Schaufeln gemäss Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      auf der Saugseite (8) sowie auf der Druckseite (9) der Schaufeln (1) zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) sich von der Schaufelvorderkante (6) in einer Richtung von der Schaufelkanalmittenachse (18) weg erstrecken, und zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) sich von der Schaufelvorderkante (6) in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse (18) erstrecken.
    4. Schaufeln gemäss Anspruch 1
      dadurch gekennzeichnet, dass
      auf der Saugseite (8) der Schaufeln (1) zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) sich jeweils von der Schaufelvorderkante (6) in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse (18) erstrecken, erstrecken, und auf der Druckseite (9) der Schaufeln (1) zumindest ein Teil der Rillen (15, 21, 22) auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) sich jeweils von der Schaufelhinterkante (6) in einer Richtung weg von der Schaufelkanalmittenachse (18) erstrecken.
    5. Schaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Rillen (15) geradlinig verlaufen.
    6. Schaufeln nach Anspruch 5
      dadurch gekennzeichnet, dass
      auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) und auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) jeweils zumindest ein Teil der Rillen (15) parallel zueinander verlaufen.
    7. Schaufeln nach Anspruch 5
      dadurch gekennzeichnet, dass
      jede der Rillen (15) in einem ihr zugeordneten Winkel in Bezug auf die Schaufelkanalmittenachse (18) verlaufen, wobei die Rillen (15), die der radialen Mitte (18) der Schaufel (1) am nächsten sind, im kleinsten Winkel in Bezug auf die Schaufelkanalmittenachse (18) verlaufen und die weiteren Rillen (15) mit zunehmenden Abstand von der radialen Mitte (18) der Schaufeln (1) in zunehmendem Winkel in Bezug auf die Schaufelkanalmittenachse (18) verlaufen.
    8. Schaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4
      dadurch gekennzeichnet, dass
      zumindest ein Teil der Rillen (21) jeweils entlang einem gekrümmten Pfad verlaufen, wobei jeder gekrümmte Pfad auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) in Bezug auf das Gehäuse (32) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) in Bezug auf die Nabe (31) konvex verläuft.
    9. Schaufeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4
      dadurch gekennzeichnet, dass
      zumindest ein Teil der Rillen (22) jeweils entlang einem gekrümmten Pfad verlaufen, wobei jeder gekrümmte Pfad auf der radial äusseren Schaufelhälfte (16) in Bezug auf das Gehäuse (32) sowie auf der radial inneren Schaufelhälfte (17) in Bezug auf die Nabe (31) konkav verläuft.
    10. Schaufeln (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Schaufeln (1) in einem Bereich (19) um ihre radiale Mitte (18) eine oder mehrere Rillen (20) parallel zur Schaufelkanalmittenachse (18) verlaufen.
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