EP1724440B1 - Verfahren zur Strömungsoptimierung in mehrstufigen Turbomaschinen - Google Patents

Verfahren zur Strömungsoptimierung in mehrstufigen Turbomaschinen Download PDF

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EP1724440B1
EP1724440B1 EP05010100A EP05010100A EP1724440B1 EP 1724440 B1 EP1724440 B1 EP 1724440B1 EP 05010100 A EP05010100 A EP 05010100A EP 05010100 A EP05010100 A EP 05010100A EP 1724440 B1 EP1724440 B1 EP 1724440B1
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EP
European Patent Office
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blade
ring
flow
profiles
blade ring
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Andreas Dr. Fiala
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • 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
    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/10—Purpose of the control system to cope with, or avoid, compressor flow instabilities

Definitions

  • the invention relates to a method for optimizing flow in multi-stage turbomachines, in which the flow of a third of three successive blade rings is optimized, according to the preamble of claim 1.
  • the European Patent EP 0 756 667 B1 protects a generic method of flow optimization in which the relative blade profile positioning between the first and third blade rings is referred to as "clocking".
  • clocking The preferred application here is the vane clocking, ie, the first and third vane rings are vane rings, whereas the second vane ring is a blade ring.
  • the principle of this method is that the flow paths of the trailing edge of the blade profiles of the first blade ring are determined until entering the third blade ring, and the leading edges of the blade profiles of the third blade ring within a predetermined tolerance angle range (25% of the blade pitch angle) relative to the entry positions of Curbs are positioned.
  • Optimal should be a direct / central impact of each caster on the respective leading edge.
  • Each caster descends as a contiguous, turbulent stream from the trailing edge of the blade profile of the first blade ring and, as it passes through the second rotating blade ring, is split into separate pieces moving side-by-side on particular webs.
  • the number of tracks corresponds to the circumference of the flow area divided by the number of blades of the first blade ring.
  • the moving pieces of adjacent wake of the first blade ring move in chronological succession.
  • the trailing pieces are averaged over time, so that, computationally, a coherent trailing occurs, which strikes the third blade ring.
  • Another simplifying assumption of the patented method is that the flow of the wake by the second blade ring is to take place only on a flow surface and is not taken into account that the caster also arranges radially differently.
  • the European Patent EP 1 201 877 B 1 also protects a generic method for flow optimization, which is also illustrated by the example of two relative to each other to be positioned vane rings with a coaxially arranged between them blade ring.
  • a generic method for flow optimization which is also illustrated by the example of two relative to each other to be positioned vane rings with a coaxially arranged between them blade ring.
  • the size of the entropy is called. However, it is also said that there may be other parameters that vary in size without specifying them. In any case, select one of the identified zones and direct it to the leading edges of the blade profiles of the third blade ring. The at least one non-selected zone may pass in the blade airfoil space. It is acknowledged that it may be necessary to evaluate various parameters. It may also be necessary, for. For example, it is necessary first to guide the zone of greater entropy and then the zone of smaller entropy to the entry edges and thereby to determine computationally / experimentally which measure leads to an increase in efficiency. Basically, this patent teaches a trial-and-error principle that forces the skilled person to take several different measures.
  • the object of the present invention is to propose a clear, unambiguous method for flow optimization in multi-stage turbomachinery, which offers a higher probability of success, than the known methods.
  • the tolerance angle is ⁇ 10% of the blade pitch angle of the third blade ring.
  • FIG. 1 shows in the form of a diagram the qualitative course of the current density pu (y) or in the incompressible limit the course of the velocity u (y) of a flowing, frictional medium in the region of a component surface, such as the surface of a flow-around blade profile.
  • the coordinate y is selected at least approximately perpendicular to the flow direction and thus also approximately perpendicular to the component surface flowed around.
  • the coordinate y is preferably defined perpendicular to a local tangent of the surface of the blade profile.
  • the velocity u (y) at the component surface is "zero".
  • the current density pu (y) and the velocity u (y) increase according to the course of a continuous, curved curve up to a value ⁇ e u e (y e ), where y e is the value the speed no longer changes through the viscous boundary layer.
  • the value y e corresponds - at least fairly accurately - to the local boundary layer thickness.
  • the frictional, curved current density or velocity course is replaced by a friction-free course with a constant current density ⁇ e u e or speed u e .
  • the component surface is fictively shifted by the value of the displacement thickness ⁇ * (delta star), ie a blade profile is fictionally thickened accordingly.
  • the frictionless flow model the same mass flow must be obtained as for the actual, frictional flow.
  • ⁇ * ⁇ 0 y e 1 - ⁇ u y p e ⁇ u e y e d y .
  • ⁇ e , u e and y e are the corresponding values at the boundary layer edge.
  • ⁇ * is thus the y value whose horizontal line intersects the current density pu (y) in such a way that two equal areas are included below and above the ⁇ * line between it and the velocity curve pu (y).
  • These two surfaces are in Fig. 1 hatched diagonally opposite. The surfaces are bounded laterally by the vertical y-axis and a vertical line by ⁇ e u e (y e ).
  • the line does not have to be a vertical, but can also be inclined to the y-axis by the change in the outer velocity in the flow outside the boundary layers between the pressure and suction side. See the dashed curves in FIG. 1 , Since ⁇ * changes periodically with periodically arranged blade profiles of the upstream rotating blade ring with the time t, is FIG. 1 as a "snapshot" at a given time in a particular place to look at.
  • the time profile of ⁇ * must be determined over at least one period, in each case for the pressure side DS and the suction side SS of the considered blade profile.
  • FIG. 2 shows qualitatively the determination of the so-called obstruction V of the displacement thickness for the pressure side ⁇ * DS and the displacement thickness for the suction side ⁇ * SS of a blade profile.
  • the courses of the displacement thicknesses are respectively plotted positively above the time axis t. It can be seen that the maxima of ⁇ * DS and ⁇ * SS are different in size (high) and offset in time.
  • the time course of the obstruction V results from additive superimposition of the profiles of the displacement thicknesses of ⁇ * DS and ⁇ * SS . Accordingly, the maximum of the obstruction V max is temporally between the time-offset maxima of the displacement thicknesses.
  • the maximum of the obstruction V max is presently to be determined in the region of the trailing edge of a blade profile and can alternatively be determined from the distribution perpendicular to the trailing edge N of the blade profile in the region downstream of the trailing edge.
  • the local blade profile thickness D is added as a further additive quantity to the displacement thicknesses ⁇ * DS and ⁇ * SS .
  • the term "in the area of the trailing edge of a blade profile" is intended to mean that the location for determining the maximum obstruction near the trailing edge can be selected within the airfoil, directly at the trailing edge, or near the trailing edge downstream of the airfoil. Ultimately, it is important that the further path of the maximum of the obstruction is determined correctly.
  • FIG. 3a shows a longitudinal section through a bladed flow channel with a static housing 46 and with a rotating hub 47.
  • Leitschaufelkränze 48, 50 are arranged with the hub 47 rotate blade rings 49,51.
  • curved contour is shown in each case. Within the flow channel, three more curved lines can be seen. These are the intersections of three rotational flow surfaces ⁇ 2 ⁇ ⁇ . ⁇ 6 ⁇ ⁇ and ⁇ 10 ⁇ ⁇ with the selected, axial-radial cutting plane.
  • the stream surfaces correspond to the spatial trajectories of selected "fluid particles".
  • FIG. 3b shows the implementation of the process principle on the hardware, ie at flow arranged in series blade rings.
  • the flow takes place here from left to right, ie from the blade ring 1 to the blade ring 3.
  • three adjacent blade rings 1 to 3 are considered, of which the first blade ring 1 and the third blade ring 3 belong to the same unit “stator” or "rotor”
  • the second blade ring 2 belongs to the respective complementary unit “rotor” or “stator”.
  • the blade rings 1 and 3 belong to the stator, ie be Leitschaufelkränze.
  • the blade ring 2 should belong to the rotor, ie be a blade ring.
  • the representation according to FIG. 3b For the sake of better clarity, only the blade profiles 18, 19, 20 of the blades 4, 5, 6, 20 are shown on a specific flow surface, ie in a flow area cut.
  • the leading edges of the blade profiles 18,19,20 carry the reference numerals 25,26,27, the exit edges the reference numerals 35,36,37.
  • the upstream blade profiles 18 generate so-called wake N, ie flow areas with turbulence and at reduced speed in the desired flow direction due to friction.
  • each caster N has a circumferential and a meridional component, which in turn can be composed of an axial and a radial component, so that each caster N enters the region of the moving second blade ring 2 and of its successive blade profiles 19 in Separate pieces is divided, which move through the flow channels between the blades 5 and interact with the pressure and suction side boundary layers of the blade profiles 19 in correlation.
  • the blade profiles 19 are in the region of the exit edges 36 there to detect periodically occurring maxima of the obstruction V max locally and temporally in the procedure according to FIG FIGS.
  • the further path of the respective maximum of the obstruction V max is to be traced into the region of the entry edges 27 of the blade profiles 20 of the third, static blade ring 3.
  • the maximum of the obstruction V max should strike an entrance edge 27 within a predetermined tolerance angle ⁇ wt.
  • This tolerance angle is for example ⁇ 15% of the blade pitch angle wt of the third blade ring 3, ie it extends on both sides of the leading edge 27 by 15% in the circumferential direction.
  • the entire angular range is thus 30% of the blade pitch angle wt of the third blade ring 3. If the measurements or calculations show that the maxima of the obstruction V max actually hit the inlet edges of the third blade ring 3 within the predetermined tolerance angle ⁇ wt, the desired flow optimization has been achieved ,
  • the closest measure is likely to be a relative rotation of the blade rings 1 and 3, ie a relative, limited angular movement in the circumferential direction about the longitudinal center axis of the blade rings. After optimization, it must be ensured that the relative positioning during removal and installation or during operation is not unintentionally changeable.
  • Another obvious measure is the axial displacement of at least one of the blade rings 1,2,3, but preferably the blade ring 1 relative to the blade ring 2 to move axially. The same effect is achieved by axial displacement of the blade profiles relative to their carrier, ie relative to the disc, the hub, the shroud, etc. This is usually already associated with further structural changes.
  • the present optimization method will typically not be limited to only one radial flow area, i. in a stream area intersection, but in several, distributed over the radial extent of the airfoil stream surface sections is performed.
  • FIG. 4 shows in axial view on stator trailing edges, the three blades 7,8,9, which emanate from a common foot area, but extend differently over their radial height.
  • the blade 7 shown in solid lines runs straight and radially, ie, rather conventionally “threaded”, ie the profile cuts are placed at the same circumferential position at each trailing edge.
  • the blade 8 shown in dashed lines runs straight, but with an inclination in the circumferential direction. This is also called “lean”.
  • the dot-dashed blade 9 has a curvature in the circumferential direction, a so-called “bow” on. In fact, with such changes, a relative circumferential displacement of the radially superposed profile cuts is achieved.
  • FIG. 5 shows a view of two rotor blades 10,11 in the circumferential direction.
  • the vane 10 shown in solid lines with the leading edge 28 and the trailing edge 38 has a trapezoidal, more conventional outline.
  • the blade 11 shown in dashed lines has an axially curved leading edge and an axially curved exit edge 39 in the same direction. This is also referred to as "axial bow” or “sweep” and causes primarily a relative displacement of the profile sections in the axial direction.
  • FIG. 6 shows a view of two blades 12,13 in the circumferential direction.
  • the blade 12 shown in solid lines with the inlet edge 30 and the outlet edge 40 corresponds in its trapezoidal, conventional outline of the blade 10 FIG. 5
  • the blade 13 shown in dashed lines has the blade root 12 and the blade tip together with the blade 12.
  • Their leading edge 31 and their trailing edge 41 are bent in opposite directions outwards, so that a bulbous blade outline is formed. This measure is also referred to as "barreling".
  • the axial length of the profile sections is primarily increased, wherein the magnification in the region of the average radial height is most pronounced.
  • only another arbitrary profile cut can be common.
  • FIG. 7 shows a profile section through two blades 14,15 with the same blade profiles 21,22 in different position.
  • the entry edges are designated 32.33, the exit edges 42.43.
  • the blade profile 22 shown in dashed lines is intended to be rotated relative to the blade profile 21 shown in solid lines around the threading axis (not reproduced here).
  • the leading edge 32 and the trailing edge 42 of the blade 21 are more circumferentially offset than the leading edge 33 and the trailing edge 43 of the blade 22. This measure is also referred to as "twisting". With the rotation, both the inflow and the outflow of such a blade lattice changes directionally.
  • FIG. 8 finally shows a profile section through two blades 16,17 with the same inflow and different outflow.
  • the two blade profiles 23 and 24 have a common leading edge 34 and a common "nose contour".
  • the blade profile 23 shown in solid lines causes by a stronger profile curvature and a stronger flow deflection up to its trailing edge 44.
  • the blade profile 24 shown in dashed lines deflects the flow less up to its trailing edge. This measure is also known as "vortexing".

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strömungsoptimierung in mehrstufigen Turbomaschinen, bei welchem die Anströmung eines dritten von jeweils drei aufeinander folgenden Schaufelkränzen optimiert wird, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Derartige Verfahren zur Strömungsoptimierung im Bereich dreier Schaufelkränze, von denen der erste und der dritte Schaufelkranz ein Leit- oder Laufschaufelkranz sein kann, der zweite Schaufelkranz umgekehrt ein Lauf- oder Leitschaufelkranz, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die europäische Patentschrift EP 0 756 667 B1 schützt ein gattungsgemäßes Verfahren zur Strömungsoptimierung, bei dem die relative Schaufelprofilpositionierung zwischen dem ersten und dem dritten Schaufelkranz als "Clocking" bezeichnet wird. Die bevorzugte Anwendung ist hier das Leitschaufel-Clocking, d. h. der erste und der dritte Schaufelkranz sind Leitschaufelkränze, wohingegen der zweite Schaufelkranz ein Laufschaufelkranz ist. Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darin, dass die Strömungspfade der Nachläufe der Schaufelprofile des ersten Schaufelkranzes bis zum Eintritt in den dritten Schaufelkranz ermittelt werden, und die Eintrittskanten der Schaufelprofile des dritten Schaufelkranzes innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwinkelbereichs (25 % des Schaufelteilungswinkels) relativ zu den Eintrittspositionen der Nachläufe positioniert werden. Optimal soll dabei ein direktes/mittiges Auftreffen jedes Nachlaufes auf die jeweilige Eintrittskante sein. Jeder Nachlauf geht als zusammenhängender, turbulenter Strom von der Austrittskante des Schaufelprofils des ersten Schaufelkranzes ab und wird auf seinem Weg durch den zweiten, rotierenden Schaufelkranz in separate, sich nebeneinander auf bestimmten Bahnen bewegende Stücke zerteilt. Die Anzahl der Bahnen entspricht dem Umfang der Strömungsfläche geteilt durch die Anzahl der Schaufeln des ersten Schaufelkranzes.
    Auf diesen Bahnen bewegen sich so zeitlich hintereinander die bewegten Stücke benachbarter Nachläufe des ersten Schaufelkranzes. Patentgemäß werden die Nachlaufstücke über die Zeit gemittelt, so dass rechnerisch wieder ein zusammenhängender Nachlauf entsteht, der auf den dritten Schaufelkranz trifft. Eine weitere, vereinfachende Annahme des patentierten Verfahrens besteht darin, dass die Strömung der Nachläufe durch den zweiten Schaufelkranz nur auf einer Strömfläche erfolgen soll und nicht berücksichtigt wird, dass sich der Nachlauf auch radial unterschiedlich anordnet.
  • Unter all diesen vereinfachenden Annahmen und Näherungen leidet die Genauigkeit und damit die Treffsicherheit des Verfahrens.
    Die europäische Patentschrift EP 1 201 877 B 1 schützt ebenfalls ein gattungsgemäßes Verfahren zur Strömungsoptimierung, welches auch am Beispiel zweier relativ zueinander zu positionierender Leitschaufelkränze mit einem dazwischen koaxial angeordneten Laufschaufelkranz erläutert wird. Beim Durchgang der Nachläufe des ersten Schaufelkranzes durch den bewegten, zweiten Schaufelkranz werden hier nur die thermodynamischen und fluiddynamischen Verhältnisse auf den Saugseiten der Schaufelprofile des zweiten Schaufelkranzes betrachtet. Es wird gesagt, dass die dort passierenden Nachlaufstücke mit der saugseitigen Schaufelgrenzschicht interagieren und sich in der Weise verändern, dass mindestens zwei voneinander beabstandete Zonen identifizierbar sind, die sich in wenigstens einer thermo- bzw. fluiddynamischen Eigenschaft unterscheiden. Als ein bevorzugtes Unterscheidungskriterium wird die Größe der Entropie genannt. Es wird aber auch gesagt, dass es weitere, sich in ihrer Größe unterscheidende Parameter geben kann, ohne diese näher zu spezifizieren. In jedem Fall ist eine der identifizierten Zonen auszuwählen und auf die Eintrittskanten der Schaufelprofile des dritten Schaufelkranzes zu lenken. Die wenigstens eine, nicht ausgewählte Zone kann im Schaufelprofilzwischenraum passieren. Es wird zugestanden, dass es erforderlich sein kann, verschiedene Parameter auszuwerten. Es kann auch erforderlich sein, z. B. erst die Zone größerer Entropie und dann die Zone kleinerer Entropie auf die Eintrittskanten zu lenken und dabei rechnerisch/experimentell zu ermitteln, welche Maßnahme zu einer Wirkungsgraderhöhung führt. Im Grunde lehrt dieses Patent ein Trial-and-Error-Prinzip, das den Fachmann zu mehreren, unterschiedlichen Maßnahmen zwingt.
  • Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein klares, eindeutiges Verfahren zur Strömungsoptimierung in mehrstufigen Turbomaschinen vorzuschlagen, das eine höhere Erfolgswahrscheinlichkeit bietet, als die bekannten Verfahren.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Das alleinige entscheidende, fluiddynamische Kriterium ist erfindungsgemäß die sogenannte Versperrung, wobei konkret deren periodisch auftretende Maxima im Austrittsbereich des zweiten Schaufelkranzes und deren Strömungspfade bis zum Eintritt in den dritten Schaufelkranz ermittelt werden.
  • Diese Maxima sollen dann innerhalb eines Toleranzwinkels von ± 15% des Schaufelteilungswinkels des dritten Schaufelkranzes auf die Eintrittskanten der Schaufelprofile des dritten Schaufelkranzes treffen. Zur konkreten Berechnung der Versperrung wird auf die Formeln in Anspruch 1 verwiesen.
  • Vorzugsweise beträgt der Toleranzwinkel ± 10% des Schaufelteilungswinkels des dritten Schaufelkranzes.
  • Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen genannt.
  • Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:
    • Figur 1
    ein Diagramm zur Ermittlung der Verdrängungsdicke δ*,
    Figur 2
    ein Diagramm zur Ermittlung der Versperrung V,
    Figur 3a
    Die Lage von Rotations-Stromflächen in einem beschaufelten Strömungskanal mit rotierender Nabe und stehendem Gehäuse,
    Figur 3b
    Schaufelprofile dreier aufeinander folgender, einander definiert zugeordneter Schaufelkränze,
    Figur 4
    drei geometrisch unterschiedliche Schaufelkantenlinien in Ansicht mit Blick in Axialrichtung,
    Figur 5
    zwei geometrisch unterschiedliche Schaufeln in Ansicht mit Blick in Umfangsrichtung,
    Figur 6
    zwei geometrisch unterschiedliche Schaufeln in Ansicht mit Blick in Umfangsrichtung,
    Figur 7
    zwei gegeneinander verdrehte, ansonsten gleiche Schaufelprofile, und
    Figur 8
    zwei geometrisch unterschiedliche Schaufelprofile.
  • Bei der Durchführung des erfindergemäßen Verfahrens sind u.a. die Verdrängungsdicke δ* (Deltastar) und die Versperrung V zu ermitteln.
    Figur 1 zeigt in Form eines Diagramms den qualitativen Verlauf der Stromdichte pu (y) oder im inkompressiblen Grenzfall den Verlauf der Geschwindigkeit u (y) eines strömenden, reibungsbehafteten Mediums im Bereich einer Bauteiloberfläche, wie z.B. der Oberfläche eines umströmten Schaufelprofils.
  • Die Koordinate y wird zumindest annähernd senkrecht zur Strömungsrichtung und somit auch annähernd senkrecht zur umströmten Bauteiloberfläche gewählt.
    Bei Schaufelprofilen wird die Koordinate y bevorzugt senkrecht zu einer örtlichen Tangente der Oberfläche des Schaufelprofils definiert. Gemäß Haftbedingung ist die Geschwindigkeit u (y) an der Bauteiloberfläche "Null". Mit zunehmendem Abstand von der Bauteiloberfläche erhöht sich die Stromdichte pu (y) und die Geschwindigkeit u (y) entsprechend dem Verlauf einer stetigen, gekrümmten Kurve bis zu einem Wert ρeue(ye), wobei ye der Wert ist, bei dem sich die Geschwindigkeit nicht mehr durch die viskose Grenzschicht ändert. Falls der Nullpunkt der Koordinate y an der Bauteiloberfläche liegt, entspricht der Wert ye - zumindest ziemlich genau - der örtlichen Grenzschichtdicke. Für das weitere Verfahren wird der reibungsbehaftete, gekrümmte Stromdichte- oder Geschwindigkeitsverlauf durch einen reibungsfreien Verlauf mit konstanter Stromdichte ρeue oder Geschwindigkeit ue ersetzt. Hierzu wird die Bauteiloberfläche fiktiv um den Wert der Verdrängungsdicke δ* (Deltastar) verschoben, d.h. ein Schaufelprofil wird fiktiv entsprechend aufgedickt. Für das reibungsfreie Strömungsmodell muss sich der gleiche Massenstrom ergeben wie für die tatsächliche, reibungsbehaftete Strömung. Damit ergibt sich für δ* folgende Definition: δ * = ∫ 0 y e 1 - ρu y p e ⁢ u e y e ⅆ y ,
    Figure imgb0001
     wobei ρe, ue und ye die entsprechenden Werte am Grenzschichtrand sind. δ* ist somit der y-Wert, dessen horizontale Linie die Stromdichte pu(y) in der Weise schneidet, dass unterhalb und oberhalb der δ*-Linie zwischen dieser und der Geschwindigkeitskurve pu(y) zwei gleich große Flächen eingeschlossen werden. Diese beiden Flächen sind in Fig. 1 diagonal entgegengesetzt schraffiert. Die Flächen werden seitlich von der vertikalen y-Achse und einer vertikalen Linie durch ρeue (ye) begrenzt. Dabei muss es sich bei der Linie nicht um eine Vertikale handeln, sondern kann durch die Änderung der Außengeschwindigkeit in der Strömung außerhalb der Grenzschichten zwischen Druck- und Saugseite diese Linie auch geneigt zur y-Achse sein. Siehe die gestrichelten Verläufe in Figur 1.
    Da sich δ* bei periodisch angeordneten Schaufelprofilen des stromauf drehenden Schaufelkranzes mit der Zeit t periodisch ändert, ist Figur 1 als "Momentaufnahme" zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort zu betrachten. Für das vorliegende Verfahren muss der zeitliche Verlauf von δ* über wenigstens eine Periodendauer ermittelt werden und zwar jeweils für die Druckseite DS und die Saugseite SS des betrachteten Schaufelprofils.
  • Figur 2 zeigt qualitativ die Ermittlung der sogenannten Versperrung V aus der Verdrängungsdicke für die Druckseite δ*DS und der Verdrängungsdicke für die Saugseite δ*SS eines Schaufelprofils. Im Diagramm sind die Verläufe der Verdrängungsdicken jeweils positiv oberhalb der Zeitachse t aufgetragen. Man erkennt, dass die Maxima von δ*DS und δ*SS hier unterschiedlich groß (hoch) und zeitlich gegeneinander versetzt sind. Der zeitliche Verlauf der Versperrung V ergibt sich durch additive Überlagerung der Verläufe der Verdrängungsdicken von δ*DS und δ*SS. Dementsprechend liegt das Maximum der Versperrung Vmax zeitlich zwischen den zeitversetzten Maxima der Verdrängungsdicken. Es sei erwähnt, dass die Verläufe tatsächlich selten so stetig und "harmonisch" sind, wie dargestellt, was jedoch nichts am Verfahrensprinzip ändert. Das Maximum der Versperrung Vmax ist vorliegend im Bereich der Austrittskante eines Schaufelprofils zu bestimmen und kann alternativ aus der Verteilung senkrecht zum Nachlauf N des Schaufelprofils im Bereich stromab der Austrittskante bestimmt werden. Im ersten Fall kommt als weitere additive Größe zu den Verdrängungsdicken δ*DS und δ*SS die örtliche Schaufelprofildicke D hinzu.
    Dadurch erhöht sich zwar die Größe des Maximums der Versperrung Vmax um einen zumindest näherungsweise konstanten Summanden, der Zeitpunkt des Auftretens des Maximums bleibt aber unverändert, was für die Treffsicherheit des Verfahrens letztlich ausschlaggebend ist. Der Ausdruck "im Bereich der Austrittskante eines Schaufelprofils" soll bedeuten, dass der Ort zur Ermittlung des Maximums der Versperrung nahe der Austrittskante innerhalb des Schaufelprofils, direkt an der Austrittskante oder auch nahe der Austrittskante stromabwärts des Schaufelprofils gewählt werden kann. Letztlich kommt es darauf an, dass die weitere Bahn des Maximums der Versperrung richtig bestimmt wird.
  • Figur 3a zeigt einen Längsschnitt durch einen beschaufelten Strömungskanal mit einem statischen Gehäuse 46 und mit einer rotierenden Nabe 47. Am Gehäuse 46 sind Leitschaufelkränze 48, 50 angeordnet, mit der Nabe 47 rotieren Laufschaufelkränze 49,51. Vom Gehäuse 46 und der Nabe 47 ist jeweils nur die den Strömungskanal begrenzende, gekrümmt verlaufende Kontur dargestellt. Innerhalb des Strömungskanals sind drei weitere, gekrümmte Linien zu erkennen. Dabei handelt es sich um die Schnittlinien dreier Rotations-Stromflächen ψ 2 ‾ ‾ , ψ 6 ‾ ‾ und ψ 10 ‾ ‾
    Figure imgb0002
     mit der gewählten, axial-radialen Schnittebene. Die Stromflächen entsprechen den räumlichen Bewegungsbahnen ausgewählter "Fluidteilchen".
  • Da es sich in der Regel um instationäre Strömungen handelt, kann es sinnvoll bzw. erforderlich sein, die Verhältnisse durch Mitteln zu vereinfachen. In diesem Sinne ist vorliegend die Lage mehrerer Rotations-Stromflächen ψ z ‾ ‾
    Figure imgb0003
     der zeit- und umfangsgemittelten 3D-RANS-Strömungsfeldlösung wiedergegeben. RANS steht hierbei für R eynolds- A veraged- N avier- S tokes. Am Rand des Strömungskanals entsprechen die Konturen von Gehäuse 46 und Nabe 47 den jeweiligen Rotations-Stromflächen ψ 1 ‾ ‾ und ψ 11 ‾ ‾ .
    Figure imgb0004
     Für die weiteren Betrachtungen bilden ausgewählte Rotations-Stromflächen die Schnittflächen, welche die Schaufeln in definierter Höhe (z) schneiden und Schaufelprofilschnitte erzeugen.
  • Figur 3b zeigt die Umsetzung des Verfahrensprinzips an der Hardware, d.h. an strömungstechnisch in Reihe angeordneten Schaufelkränzen. Die Durchströmung erfolgt hier von links nach rechts, d.h. vom Schaufelkranz 1 zum Schaufelkranz 3. Es werden also jeweils drei benachbarte Schaufelkränze 1 bis 3 betrachtet, wovon der erste Schaufelkranz 1 und der dritte Schaufelkranz 3 zu derselben Einheit "Stator" oder "Rotor" gehören. Der zweite Schaufelkranz 2 gehört zur jeweils komplementären Einheit "Rotor" oder "Stator".
    Zwischen dem Schaufelkranz 1 und dem Schaufelkranz 3 gibt es somit im Betrieb keine Relativbewegung, wohingegen zwischen dem Schaufelkranz 2 und den beiden anderen Schaufelkränzen 1 und 3 im Betrieb eine Relativrotation mit konstanter Geschwindigkeit W gegeben ist. Im Beispiel gemäß Figur 3b sollen die Schaufelkränze 1 und 3 dem Stator zugehören, d.h. Leitschaufelkränze sein. Der Schaufelkranz 2 soll dem Rotor zugehören, d.h. ein Laufschaufelkranz sein. Die Darstellung gemäß Figur 3b zeigt der besseren Übersichtlichkeit wegen von den Schaufeln 4,5,6 nur die Schaufelprofile 18,19,20 auf einer bestimmten Stromfläche, d.h. in einem Stromflächenschnitt. Die Eintrittskanten der Schaufelprofile 18,19,20 tragen die Bezugszeichen 25,26,27, die Austrittskanten die Bezugszeichen 35,36,37. Die stromaufwärtigen Schaufelprofile 18 erzeugen reibungsbedingt sogenannte Nachläufe N, d.h. Strömungsgebiete mit Verwirbelung und mit reduzierter Geschwindigkeit in der gewünschten Strömungsrichtung. Die Bewegungsrichtung jedes Nachlaufs N weist eine Umfangs- und eine Meridionalkomponente auf, die sich wiederum aus einer Axial- und einer Radialkomponente zusammensetzten kann, so dass jeder Nachlauf N in den Bereich des bewegten, zweiten Schaufelkranzes 2 gelangt und von dessen aufeinander folgenden Schaufelprofilen 19 in separate Stücke zerteilt wird, welche sich durch die Strömungskanäle zwischen den Schaufeln 5 bewegen und mit den druck- und saugseitigen Grenzschichten der Schaufelprofile 19 in Wechselbeziehung treten.
    Erfindungsgemäß sind im Bereich der Austrittskanten 36 der Schaufelprofile 19 dort periodisch auftretende Maxima der Versperrung Vmax örtlich und zeitlich zu erfassen in der Vorgehensweise gemäß Figur 1 und 2. Nach Abgang von der Austrittskante 36 ist die weitere Bahn des jeweiligen Maximums der Versperrung Vmax bis in den Bereich der Eintrittskanten 27 der Schaufelprofile 20 des dritten, statischen Schaufelkranzes 3 zu verfolgen.
    Das Maximum der Versperrung Vmax soll innerhalb eines vorgegebenen Toleranzwinkels Δwt auf eine Eintrittskante 27 treffen. Dieser Toleranzwinkel beträgt z.B. ± 15% des Schaufelteilungswinkels wt des dritten Schaufelkranzes 3, d.h. er erstreckt sich beiderseits der Eintrittskante 27 um jeweils 15% in Umfangsrichtung. Der gesamte Winkelbereich beträgt somit 30% des Schaufelteilungswinkels wt des dritten Schaufelkranzes 3. Falls die Messungen bzw. Berechnungen ergeben, dass die Maxima der Versperrung Vmax tatsächlich innerhalb des vorgegebenen Toleranzwinkels Δwt auf die Eintrittskanten des dritten Schaufelkranzes 3 treffen, ist die gewünschte Strömungsoptimierung erreicht.
  • Falls dies nicht der Fall ist, sind an wenigstens einem der Schaufelkränze 1,2,3 geometrische Veränderungen vorzunehmen, bis das vorgenannte Kriterium erfüllt ist.
  • Die nächstliegende Maßnahme dürfte wohl eine relative Verdrehung der Schaufelkränze 1 und 3 sein, d.h. eine relative, begrenzte Winkelbewegung in Umfangsrichtung um die Längsmittelachse der Schaufelkränze.
    Nach Optimierung ist sicherzustellen, dass die Relativpositionierung bei Aus- und Einbau bzw. im Betrieb nicht ungewollt veränderbar ist. Eine weitere, naheliegende Maßnahme ist die axiale Verschiebung wenigstens eines der Schaufelkränze 1,2,3, bevorzugt ist jedoch der Schaufelkranz 1 relativ zum Schaufelkranz 2 axial zu verschieben. Der gleiche Effekt wird durch axiale Verschiebung der Schaufelprofile relativ zu ihrem Träger erzielt, d.h. relativ zur Scheibe, zur Nabe, zum Deckband etc.. Dies ist in der Regel bereits mit weitergehenden konstruktiven Veränderungen verbunden.
  • Dem Fachmann ist klar, dass das vorliegende Optimierungsverfahren in der Regel nicht nur auf einer radialen Stromfläche, d.h. in einem Stromflächenschnitt, sondern in mehreren, über die radiale Erstreckung des Schaufelblattes verteilten Stromflächenschnitten durchzuführen ist.
  • Dies gilt insbesondere für ausgeprägt "dreidimensionale" Schaufeln mit stark variierenden Stromflächenschnitten sowie mit großer radialer Erstreckung.
  • Anhand der Figuren 4 bis 8 werden geometrische Schaufeländerungen erläutert, welche beim vorliegenden Optimierungsverfahren zur Anwendung kommen können.
  • Figur 4 zeigt in axialer Ansicht auf Statorhinterkanten die drei Schaufeln 7,8,9, welche von einem gemeinsamen Fußbereich ausgehen, aber über ihre radiale Höhe unterschiedlich verlaufen. Die durchgezogen dargestellte Schaufel 7 verläuft gerade und radial, d.h. eher konventionell "gefädelt", d.h. die Profilschnitte sind an jeder Hinterkante auf die gleiche Umfangsposition gelegt.
    Die gestrichelt dargestellte Schaufel 8 verläuft gerade, aber mit einer Neigung in Umfangsrichtung. Dies wird auch als "Lean" bezeichnet. Die strichpunktiert dargestellte Schaufel 9 weist eine Krümmung in Umfangsrichtung, einen sogenannten "Bow" auf. De facto wird mit solchen Veränderungen eine Relativumfangsverschiebung der radial übereinander liegenden Profilschnitte erreicht.
  • Figur 5 zeigt eine Ansicht zweier Rotorschaufeln 10,11 in Umfangsrichtung. Die durchgezogen dargestellte Schaufel 10 mit Eintrittskante 28 und Austrittskante 38 besitzt einen trapezförmigen, eher konventionellen Umriss. Die gestrichelt dargestellte Schaufel 11 weist eine axial gekrümmte Eintrittskante und eine gleichsinnig axial gekrümmte Austrittskante 39 auf. Dies wird auch als "Axial Bow" oder "Sweep" bezeichnet und bewirkt primär eine Relativverschiebung der Profilschnitte in Axialrichtung.
  • Figur 6 zeigt eine Ansicht zweier Schaufeln 12,13 in Umfangsrichtung. Die durchgezogen dargestellte Schaufel 12 mit Eintrittskante 30 und Austrittskante 40 entspricht in ihrem trapezförmigen, konventionellen Umriss der Schaufel 10 aus Figur 5. Die gestrichelt dargestellte Schaufel 13 hat mit der Schaufel 12 den Schaufelfuß und die Schaufelspitze gemeinsam. Ihre Eintrittskante 31 und ihre Austrittskante 41 sind jedoch gegensinnig nach außen gebogen, so dass ein bauchiger Schaufelumriss entsteht. Diese Maßnahme wird auch als "Barrelling" bezeichnet. Dadurch wird primär die axiale Länge der Profilschnitte vergrößert, wobei die Vergrößerung im Bereich der mittleren radialen Höhe am ausgeprägtesten ist. Neben Schaufelfuß und Schaufelspitze kann auch nur ein anderer beliebiger Profilschnitt gemeinsam sein.
  • Figur 7 zeigt einen Profilschnitt durch zwei Schaufeln 14,15 mit gleichen Schaufelprofilen 21,22 in unterschiedlicher Lage. Die Eintrittskanten sind mit 32,33, die Austrittskanten mit 42,43 bezeichnet.
    Das gestrichelt dargestellte Schaufelprofil 22 soll gegenüber dem durchgezogen dargestellten Schaufelprofil 21 um die hier nicht wiedergegebene Fädelachse verdreht sein. Somit sind die Eintrittskante 32 und die Austrittskante 42 der Schaufel 21 in Umfangsrichtung stärker versetzt, als die Eintrittskante 33 und die Austrittskante 43 der Schaufel 22. Diese Maßnahme wird auch als "Twist" bezeichnet. Mit der Verdrehung ändert sich sowohl die Zuströmung als auch die Abströmung eines solchen Schaufelgitters richtungsmäßig.
  • Figur 8 schließlich zeigt einen Profilschnitt durch zwei Schaufeln 16,17 mit gleicher Zuströmung und unterschiedlicher Abströmung. Die beiden Schaufelprofile 23 und 24 weisen eine gemeinsame Eintrittskante 34 und eine gemeinsame "Nasenkontur" auf. Das durchgezogen dargestellte Schaufelprofil 23 bewirkt durch eine stärkere Profilkrümmung auch eine stärkere Strömungsumlenkung bis zu seiner Austrittskante 44. Das gestrichelt dargestellte Schaufelprofil 24 lenkt die Strömung bis hin zu seiner Austrittskante weniger stark um. Diese Maßnahme wird auch als "Vortexing" bezeichnet.
  • Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind die vorgenannten Maßnahmen zur Strömungsveränderung einzeln oder in vielen Kombinationen geeignet, das erfindungsgemäße Optimierungskriterium zu realisieren.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Strömungsoptimierung in mehrstufigen Turbomaschinen, insbesondere in Gasturbinen, bei welchem die Anströmung eines dritten (3) von jeweils drei aufeinander folgenden Schaufelkränzen (1, 2, 3) optimiert wird, wobei der erste (1) und der dritte Schaufelkranz (3) gleiche Schaufelzahlen und somit den gleichen Schaufelteilungswinkel (wt) aufweisen sowie beide koaxial an der selben Einheit Rotor oder Stator angeordnet sind, wobei zwischen dem ersten (1) und dem dritten Schaufelkranz (3) der zweite Schaufelkranz (2) koaxial an der anderen der beiden Einheiten Rotor oder Stator angeordnet ist, so dass im Betrieb zwischen dem zweiten Schaufelkranz (2) und den beiden anderen Schaufelkränzen (1, 3) eine Relativrotation erfolgt, und wobei hinsichtlich der Betriebsparameter ein Betriebszustand (Betriebspunkt) mit einem hohen Zeitanteil an der Betriebsdauer der Turbomaschine ausgewählt wird, wobei bei diesem Betriebszustand periodisch auftretende Maxima der Versperrung (Vmax), welche im Bereich der Austrittskanten (36) von Schaufelprofilen (19) des zweiten Schaufelkranzes (2) durch von Schaufelprofilen (18) des ersten Schaufelkranzes (1) ausgehende Nachläufe (N) induziert werden und sich vom Bereich der Austrittskanten (36) der Schaufelprofile (19) des zweiten Schaufelkranzes (2) zum Bereich der Eintrittskanten (27) von Schaufelprofilen (20) des dritten Schaufelkranzes (3) bewegen, innerhalb eines Toleranzwinkels (Δwt) von ±15% des Schaufelteilungswinkels (wt) des dritten Schaufelkranzes (3) auf die Eintrittskanten (27) der Schaufelprofile (20) des dritten Schaufelkranzes (3) gelenkt werden, wozu bedarfsweise die Positionen und / oder die Geometrien von Schaufelprofilen (18,19,20) wenigstens eines der drei Schaufelkränze (1,2,3) verändert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Größe der Versperrung(V) im Bereich der Austrittskante (36) eines Schaufelprofils (19) des zweiten Schaufelkranzes (2) die Verdrängungsdicke δ* (Deltastar) für die Druckseite (DS) und die Saugseite (SS) des Schaufelprofils jeweils nach der Formel δ * = ∫ 0 y e ( 1 - ρu y ρ e ⁢ u e ( y e ) , ) dγ
    Figure imgb0005
     berechnet wird, wobei ρ die Dichte des strömenden Mediums, u die Geschwindigkeit des strömenden Mediums, y eine Koordinate senkrecht zu einer Bezugslinie im Bereich der Austrittskante (36) und e ein Index für die Grenze zwischen der durch die Grenzschicht gestörten und ungestörten Strömung ist, und dass die Größe der Versperrung (V) wahlweise als Summe der momentanen druck- und saugseitigen Verdrängungsdicken δ*DS und δ*SS ohne die oder mit der Schaufelprofildicke (D) im Bereich der Austrittskante (36) des Schaufelprofils (19) nach der Formel berechnet wird: V = δ ⁢ * DS + δ ⁢ * SS oder V = D + δ ⁢ * DS + δ ⁢ * SS
    Figure imgb0006
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Toleranzwinkel (Δwt) ± 10 % des Schaufelteilungswinkels (wt) des dritten Schaufelkranzes (3) beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es für unterschiedliche Schaufelhöhen, d. h. für mehrere Schaufelprofilschnitte vom Schaufelfuß bis zur Schaufelspitze, wiederholt durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es so oft wiederholt wird, bis die Schaufelprofile aller Lauf- und / oder Leitschaufelkränze einer Turbomaschinenkomponente, z. B. eines Hochdruckverdichters oder einer Niederdruckturbine einer Gasturbine, in einem oder mehreren Schaufelprofilschnitten strömungsoptimal positioniert und / oder konturiert sind.
  5. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Gasturbinenkomponenten als maßgeblicher Betriebszustand der so genannte Aerodynamic Design Point (ADP) mit Nenndrehzahl (100%) und mit definierten Totaldruck- und Totaltemperaturverhältnissen verwendet wird.
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