EP2304183A2 - Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von sekundärströmungen bei einer turbomaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beeinflussung von sekundärströmungen bei einer turbomaschine

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EP2304183A2
EP2304183A2 EP09772488A EP09772488A EP2304183A2 EP 2304183 A2 EP2304183 A2 EP 2304183A2 EP 09772488 A EP09772488 A EP 09772488A EP 09772488 A EP09772488 A EP 09772488A EP 2304183 A2 EP2304183 A2 EP 2304183A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
main flow
passage
swirl
flow direction
hub
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09772488A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Dorfner
Eberhard Nicke
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP2304183A2 publication Critical patent/EP2304183A2/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F01D5/142—Shape, i.e. outer, aerodynamic form of the blades of successive rotor or stator blade-rows
    • F01D5/143—Contour of the outer or inner working fluid flow path wall, i.e. shroud or hub contour
    • 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 an apparatus and method for reducing secondary flows in a passage between two adjacent blades and vanes of a turbomachine, each of the blades extending from a side wall of a hub of the turbomachine, and wherein the passage is traversed by a fluid in a main flow direction ,
  • the inflowing fluid is deflected in the main flow direction according to the geometry of the blades.
  • the pressure and centrifugal forces acting on a fluid particle are in equilibrium.
  • hub side wall and housing side wall form due to friction sidewall boundary layers with low energy fluid.
  • a pressure gradient is formed, which leads to a transverse transport of the low-energy fluid of the sidewall boundary layer.
  • a compensating counter-rotating flow forms, which forms a secondary vortex with the flow along the hub and housing side wall.
  • One known way of influencing and controlling secondary flow phenomena is by exhausting the sidewall and / or blade boundary layers by injecting mass flow at suitable positions in front of or behind the blade row or in the passage. In this case, additional energy must be made available for transporting the extracted or injected mass flow. In the extraction, a mass loss is directly accepted, which consumes the aerodynamic improvements by actively influencing a part again.
  • secondary flow in turbomachinery components can passively pass through, for example, boundary fences or additional baffles
  • Flow control are influenced, which always means extensive design measures to guide the mass flow. In these methods, great design effort must be operated.
  • the boundary layer fences and baffles are exposed to significant forces, reducing life and structural strength. Boundary layer fences require additional components. In addition to an increase in the friction surfaces, the structural limitations arise.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for influencing secondary flows in a passage between two adjacent vanes of a turbomachine to reduce internal losses.
  • the method according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the device according to the invention is defined by the features of claim 9.
  • a stable auxiliary vortex of the fluid flowing through the passage is generated using a vortex channel formed in the hub side wall.
  • the swirl duct is not rotationally symmetric with respect to the hub axle, whereby the auxiliary swirl generated is rotated in the passage perpendicular to the main flow direction and opposite to a secondary swirl.
  • the auxiliary swirl thus rotates in a plane perpendicular to the main flow direction and its direction of rotation is opposite to that of the secondary vortex.
  • the auxiliary swirl is thereby an aerodynamic separator, which counteracts the secondary vortex.
  • the auxiliary swirl prevents the mass transport of the fluid to the blade suction side, thereby preventing the interaction of the sidewall and blade boundary layer, their coalescence or the emergence of corner separation.
  • the swirl duct is formed in the housing and / or in the hub side wall, extends in the main flow direction and is not rotationally symmetrical with respect to the hub axle. As the fluid flows in the main flow direction along the swirl passage, a stable auxiliary fluid swirl is generated which is rotated perpendicular to the main flow direction and opposite to a secondary swirl.
  • the auxiliary vortex and the secondary vortex cancel each other as it flows through the passage.
  • the total pressure loss coefficient is reduced by approx. 30%.
  • the swirl duct is formed as a concave depression of the hub side wall in the form of a throat, wherein the swirl duct forms a spoiler edge with respect to the main flow direction upstream with the hub side wall and forms a flank on the side facing the adjacent pressure side of a vane.
  • the fluid flows through the vortex channel in the main flow direction and is swirled at the trailing edge.
  • the trailing edge with the hub side wall forms an angle between 30 ° and 60 °, preferably about 45 °.
  • the flank causes the auxiliary swirl to be guided in the main flow direction through the passage, producing a vortex which rotates counter to the direction of the channel vortex.
  • the auxiliary vortex and the secondary vortex collide and form a detachment line.
  • the auxiliary vortex strikes the secondary vortex in the area of the flank and prevents mass transport in the direction of the suction side due to the secondary vortex.
  • the geometric shape, the depth and shape and angle of the trailing edge and the flank are ideally chosen so that the auxiliary vortex rotates with the same intensity and speed as the secondary vortex.
  • the auxiliary swirl is transported through the passage in the main flow direction and counteracts the secondary swirl at any point along the detachment line.
  • the vortex channel begins in the main flow direction before the beginning of the passage and ends in the main flow direction in the region of the passage end, so that the auxiliary vortex in the region of the blade trailing edge loses intensity and dissipates to avoid interaction with the downstream blade row.
  • the tear-off edge can be designed in the form of a fillet radius or as a sharp-edged corner.
  • the auxiliary swirl should interact neither with the suction nor with the pressure-side boundary layer of the blades. Such an interaction between the suction side boundary layer of the blade and the auxiliary swirl can be avoided by leaving a sufficient distance between the swirl channel and the guide blade.
  • the width of the spinal canal should match the division, i. the distance between two adjacent blades, be scaled.
  • the fluid of the incoming sidewall boundary layer rolls up into a stable auxiliary vortex within the throat.
  • the main flow then passes this vortex along the correspondingly shaped vortex channel, thus creating the aerodynamic separator at which the transverse transport of the sidewall boundary layer material is inhibited.
  • the detachment line is formed due to the two oppositely rotating vortices.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 2 is a plan view from the direction of the arrow II in Figure 1.
  • FIG. 1 shows the circumferential surface of the hub of a blade row.
  • the blade row can protrude outward from the hub of a stator or protrude inwardly from the surrounding housing of a stator.
  • the hub side wall 12 can be seen, from which blades 14 protrude in the radial direction.
  • Each of the blades 14 has a convex suction side 16 and the suction side 16 opposite a concave pressure side 18.
  • the two adjacent blades 14 form a passage 20, which is flowed through by a fluid in the main flow direction 23 during operation of the turbomachine.
  • the main flow direction 23 is shown by the arrow with the reference numeral 22 in Figure 1 and extends from the leading edge 24 of a vane 14 to the rear edge 26th
  • a fluid boundary layer forms along the hub side wall 12 in the region of the hub side wall.
  • the pressure gradient between the suction side 16 and pressure side 18 of the two blades 14 results in a secondary vortex 28, which rotates counterclockwise in FIG.
  • each swirl duct is not rotationally symmetrical with respect to the hub axle and has a spoiler lip 32 at its end located in front of the blade leading edge 24. Behind the tear-off edge 32 takes the depth of the vertebral canal 30 to its lowest point. The lowest point of the swirling channel 30 is preferably located in front of the blade leading edge 24.
  • each vertebral canal 30 has an approximately kidney-shaped curved shape except for the tear-off edge 32.
  • the curvature of the swirling channel 30 in plan view extends according to the curvature of the blade 14.
  • the swirling channel 30 has an elongated curved shape of continuously varying depth and forms a throat with a flank 34 extending in the region of the center of the passage.
  • the flank 34 extends along the pressure side of the adjacent blade 14 facing side of the vortex can.
  • the slope of the flank 34 is greater than the slope on the opposite, the adjacent suction side 16 facing side of the swirl passage 30.
  • the slope of the flank 34 decreases in the main flow direction 23 continuously and ends at the end of the passage in the region of the guide blade trailing edge 26.
  • the depth of the swirling channel 30 in the main flow direction first increases rapidly in the region of the spoiler edge, reaches its greatest value in front of the blade leading edge 24 and runs continuously up to the blade trailing edge 26.
  • the depth of the swirling channel 30 in the region of the flank 34 first increases rapidly to the lowest point in the region of the center of the swirling channel 30 and then continuously decreases in the direction of the suction side 16 , Between the suction side 16 and the suction side 16 facing side of the swirl passage 30 remains in the rear region of the blade 14 a distance.
  • auxiliary swirl 36 When the fluid flows in the main flow direction 23, the fluid flow drops down over the tear-off edge 32 into the throat of the swirling channel 30 and forms an auxiliary swirl 36 along the tear-off edge 32 and along the flank 34, which, as in FIG shown rotated counterclockwise in the direction of rotation of the secondary vortex 28 (channel vortex).
  • the auxiliary swirl 36 is transported along the flank 34 and forms a detachment line 22 along the auxiliary swirl 36 in the region of the center of the passage 20, ie in the region between two adjacent blades 14, together with the secondary swirl 28 hits the secondary vortex 28.
  • auxiliary helix 36 and secondary vortex 28 meet, they counteract each other so that an aerodynamic separator is formed by auxiliary vortex 36, which prevents secondary flow 28 from causing mass flow in the direction of suction side 16.

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Abstract

Ein Verfahren zur Beeinflussung von Sekundärströmungen in einer Passage (20) zwischen zwei benachbarten Lauf- und Leitschaufeln (14) einer Turbomaschine, wobei die Schaufeln jeweils von einer Seitenwand (12) einer Nabe oder eines Gehäuses der Turbomaschine abstehen, und wobei die Passage (20) in einer Hauptströmungsrichtung (23) von einem Fluid durchströmt wird, enthält zum Verringern innerer Verluste den Schritt: Erzeugen eines stabilen Fluid-Hilfswirbels (36), der in der Passage (20) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (23) und entgegengesetzt zu einem Sekundärwirbel (28) rotiert, unter Verwendung eines in der Naben- oder Gehäuseseitenwand (12) ausgebildeten Wirbelkanals (30), der in Bezug auf die Nabenachse nicht rotatϊonssymmetrisch ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung von Sekundärströmunqen bei einer
Turbomaschine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren von Sekundärströmungen in einer Passage zwischen zwei benachbarten Lauf- und Leitschaufeln einer Turbomaschine, wobei die Leitschaufeln jeweils von einer Seitenwand einer Nabe der Turbomaschine abstehen, und wobei die Passage in einer Hauptströmungsrichtung von einem Fluid durchströmt wird.
Das anströmende Fluid wird in Hauptströmungsrichtung entsprechend der Geometrie der Schaufeln umgelenkt. Bei idealisierter Durchströmung der Schaufelpassage sind die auf ein Fluidpartikel wirkenden Druck- und Fliehkräfte im Gleichgewicht. An Nabenseitenwand und Gehäuseseitenwand bilden sich aufgrund von Reibung Seitenwandgrenzschichten mit energiearmem Fluid. Zwischen der Druckseite und der Saugseite der benachbarten Leitschaufeln wird ein Druckgradient gebildet, der zu einem Quertransport des energiearmen Fluids der Seitenwandgrenzschicht führt. Neben der Hauptströmungsrichtung entsteht so eine Sekundärströmung von der Druckseite zur gegenüberliegenden Saugseite entlang der Naben- und Gehäuseseitenwand. Bei ca. 50 % der radialen Schaufelhöhe bildet sich eine ausgleichende gegenläufige Strömung, die mit der Strömung entlang der Naben- und Gehäuseseitenwand einen Sekundärwirbel bildet.
Derartige Sekundärwirbel und Sekundärströmungen führen zu Totaldruckverlusten oder zur Reduktion des isentropen Verdichterwirkungsgrades innerhalb der Passage. Zudem entsteht durch den Sekundärwirbel das Problem der Eckenablösung, die durch besonders niederenergetisches Fluid und signifikante Rückströmgebiete an Schaufel- und Seitenwand gekennzeichnet ist, wodurch an der Hinterkante der jeweiligen Schaufelreihe Nachlaufdellen aufgrund der endlichen Hinterkantendicke sowie Gebiete hoher Viskosität an den Ecken zwischen Saugseite und den Naben- und Gehäuseseitenwänden verstärkt werden.
Eine bekannte Möglichkeit zur Beeinflussung und Kontrolle von Sekundärströmungsphänomenen besteht in der Absaugung der Seitenwand- und/oder Schaufelgrenzschicht durch Einblasung von Massenstrom an geeigneten Positionen vor oder hinter der Schaufelreihe oder in der Passage. Hierbei muss zusätzliche Energie zum Transport des abgesaugten oder eingeblasenen Massenstroms zur Verfügung gestellt werden. Bei der Absaugung wird direkt ein Massenverlust in Kauf genommen, welcher die aerodynamischen Verbesserungen durch die aktive Beeinflussung zu einem Teil wieder aufzehrt.
Alternativ kann die Sekundärströmung in Turbomaschinenkomponenten passiv durch zum Beispiel Grenzschichtzäune oder zusätzliche Leitbleche zur Strömungsführung beeinflusst werden, was immer umfangreiche konstruktive Maßnahmen zur Führung des Massenstroms bedeutet. Bei diesen Methoden muss großer konstruktiver Aufwand betrieben werden. Die Grenzschichtzäune und Leitbleche sind erheblichen Kräften ausgesetzt, wodurch Lebensdauer und strukturelle Festigkeit reduziert sind. Grenzschichtzäune erfordern zusätzliche Bauteile. Neben einer Vergrößerung der reibenden Oberflächen ergeben sich die strukturellen Limitierungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beeinflussen von Sekundärströmungen in einer Passage zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln einer Turbomaschine zu schaffen, um innere Verluste zu reduzieren.
Der erfindungsgemäße Verfahren wird definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird definiert durch die Merkmale von Patentanspruch 9.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein stabiler Hilfswirbel des die Passage durchströmenden Fluids unter Verwendung eines in der Nabenseitenwand ausgebildeten Wirbelkanals erzeugt. Der Wirbelkanal ist in Bezug auf die Nabenachse nicht rotationssymmetrisch, wodurch der erzeugte Hilfswirbel in der Passage senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und entgegengesetzt zu einem Sekundärwirbel rotiert. Der Hilfswirbel dreht also in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und seine Drehrichtung ist gegenläufig zu derjenigen des Sekundärwirbels. Der Hilfswirbel ist dadurch ein aerodynamischer Separator, welcher dem Sekundärwirbel entgegenwirkt. Der Hilfswirbel verhindert den Massentransport des Fluids zur Schaufelsaugseite, wodurch die Interaktion der Seitenwand- und Schaufelgrenzschicht, deren Zusammenwachsen oder das Entstehen von Eckenablösung verhindert werden. Auf der Seitenwand bildet sich in den Berührpunkten der beiden Wirbel eine Ablöselinie in Hauptströmungsrichtung aus. Der Wirbelkanal ist in der Gehäuse- und/oder in der Nabenseitenwand ausgebildet, verläuft in Hauptströmungsrichtung und ist in Bezug auf die Nabenachse nicht rotationssymmetrisch. Beim Strömen des Fluids in Hauptströmungsrichtung entlang des Wirbelkanals wird ein stabiler Fluid- Hilfswϊrbel erzeugt, der senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und entgegengesetzt zu einem Sekundärwirbel rotiert.
Der Hilfswirbel und der Sekundärwirbel heben sich gegenseitig beim Durchströmen der Passage auf. Der Totaldruckverlustbeiwert wird um ca. 30% reduziert.
Vorzugsweise ist der Wirbelkanal als konkave Vertiefung der Nabenseitenwand in Form einer Kehle ausgebildet, wobei der Wirbelkanal in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung stromaufwärts mit der Nabenseitenwand eine Abrisskante bildet und an der der benachbarten Druckseite einer Leitschaufel zugewandten Seite eine Flanke bildet. Das Fluid durchströmt den Wirbelkanal in Hauptströmungsrichtung und wird an der Abrisskante verwirbelt. Vorzugsweise bildet die Abrisskante mit der Nabenseitenwand einen Winkel zwischen 30° und 60°, vorzugsweise etwa 45°. Die Flanke bewirkt eine Führung des Hilfswirbels in Hauptströmungsrichtung durch die Passage, wodurch ein Wirbel erzeugt wird, der entgegen der Richtung des Kanalwirbels rotiert. Im Bereich der Flanke stoßen der Hilfswirbel und der Sekundärwirbel aufeinander und bildet eine Ablöselinie aus. Der Hilfswirbel trifft im Bereich der Flanke auf den Sekundärwirbel und verhindert, dass durch den Sekundärwirbel ein Massentransport in Richtung auf die Saugseite erfolgt.
Die geometrische Form, die Tiefe sowie Form und Winkel der Abrisskante und der Flanke werden idealerweise derart gewählt, dass der Hilfswirbel mit gleicher Intensität und Geschwindigkeit wie der Sekundärwirbel rotiert. Der Hilfswirbel wird in Hauptströmungsrichtung durch die Passage transportiert und wirkt an jedem Punkt entlang der Ablöselinie dem Sekundärwirbel entgegen. Vorzugsweise beginnt der Wirbelkanal in Hauptströmungsrichtung vor dem Beginn der Passage und endet in Hauptströmungsrichtung im Bereich des Passagen-Endes, damit der Hilfswirbel im Bereich der Schaufeihinterkante an Intensität verliert und dissipiert, um eine Interaktion mit der stromabwärts folgenden Schaufelreihe zu vermeiden.
Die Abrisskante kann in Form eines Ausrundungsradius oder als scharfkantige Ecke ausgebildet sein.
Der Hilfswirbel sollte weder mit der saug- noch mit der druckseitigen Grenzschicht der Schaufeln in Interaktion treten. Eine derartige Interaktion zwischen der Saugseitengrenzschicht der Schaufel und dem Hilfswirbel kann dadurch vermieden werden, dass zwischen Wirbelkanal und Leitschaufel ein ausreichender Abstand verbleibt. Die Breite des Wirbelkanals sollte mit der Teilung, d.h. dem Abstand zweier benachbarter Schaufeln, skaliert werden.
Nach Überströmung der vorderen Abrisskante des Wirbelkanals rollt sich das Fluid der einlaufenden Seitenwandgrenzschicht zu einem stabilen Hilfswirbel innerhalb der Kehle auf. Die Hauptströmung führt diesen Wirbel dann entlang des entsprechend geformten Wirbelkanals und erzeugt so den aerodynamischen Separator, an welchem der Quertransport des Seitenwandgrenzschichtmaterials unterbunden wird. Am Übergang des Wirbelkanals zur rotationssymmetrischen Seitenwand in der Passagen-Mitte bildet sich die Ablöselinie aufgrund der beiden entgegengesetzt rotierenden Wirbel aus.
Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen :
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Figur 2 eine Draufsicht aus Richtung des Pfeils II in Figur 1.
Figur 1 zeigt die umfangsseitige Oberfläche der Nabe einer Schaufelreihe. Die Schaufelreihe kann von der Nabe eines Leitrades nach außen abstehen oder von dem umgebenden Gehäuse eines Leitrades nach innen abstehen. Zu sehen ist die Nabenseitenwand 12, von der in radialer Richtung Schaufeln 14 abstehen. Jede der Schaufeln 14 hat eine konvexe Saugseite 16 und der Saugseite 16 gegenüberliegend eine konkave Druckseite 18. Die beiden benachbarten Schaufeln 14 bilden eine Passage 20, die beim Betrieb der Turbomaschine von einem Fluid in Hauptströmungsrichtung 23 durchströmt wird. Die Hauptströmungsrichtung 23 ist durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 22 in Figur 1 dargestellt und verläuft von der Vorderkante 24 einer Leitschaufel 14 zu deren Hinterkante 26.
Im Bereich der Nabenseitenwand bildet sich beim Durchströmen des Fluids durch die Passage 20 eine Fluid-Grenzschicht entlang der Nabenseitenwand 12. Durch den Druckgradienten zwischen Saugseite 16 und Druckseite 18 der beiden Schaufeln 14 entsteht ein Sekundärwirbel 28, der in Figur 1 gegen den Uhrzeigersinn rotiert.
Um dem Sekundärwirbel 28 entgegenzuwirken, sind für jede Passage 20 in der Nabenseitenwand 12 Wirbelkanäle 30 als konkave Vertiefungen ausgebildet. Jeder Wirbelkanal ist nicht rotationssymmetrisch in Bezug auf die Nabenachse und weist an seinem der Schaufel-Vorderkante 24 vorgelagerten Ende eine Abrisskante 32 auf. Hinter der Abrisskante 32 nimmt die Tiefe des Wirbelkanals 30 bis zu dessen tiefstem Punkt zu. Der tiefste Punkt des Wirbelkanals 30 befindet sich vorzugsweise vor der Schaufel-Vorderkante 24.
Jeder Wirbelkanal 30 hat in der in Figur 2 gezeigten Draufsicht eine bis auf die Abrisskante 32 in etwa nierenförmig geschwungene Form. Die Krümmung des Wirbelkanals 30 in Draufsicht verläuft entsprechend der Krümmung der Schaufel 14. Entlang der Hauptströmungsrichtung 23 weist der Wirbelkanal 30 eine langgestreckte gekrümmte Form kontinuierlich variierender Tiefe auf und bildet eine Kehle mit einer im Bereich der Passagen-Mitte verlaufenden Flanke 34.
Die Flanke 34 verläuft entlang der der Druckseite der benachbarten Schaufel 14 zugewandten Seite des Wirbelkanais. Die Steigung der Flanke 34 ist größer als die Steigung auf der gegenüberliegenden, der benachbarten Saugseite 16 zugewandten Seite des Wirbelkanals 30. Die Steigung der Flanke 34 nimmt in Hauptströmungsrichtung 23 kontinuierlich ab und läuft zum Ende der Passage im Bereich der Leitschaufel-Hinterkante 26 aus.
Somit nimmt die Tiefe des Wirbelkanals 30 in Hauptströmungsrichtung zunächst im Bereich der Abrisskante rapide zu, erreicht ihren größten Wert vor der Schaufel-Vorderkante 24 und läuft kontinuierlich bis zur Schaufel-Hinterkante 26 aus. In Richtung von der Druckseite 18 auf die Saugseite 16 senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung nimmt die Tiefe des Wirbelkanals 30 im Bereich der Flanke 34 zunächst rapide zu bis zum tiefsten Punkt im Bereich der Mitte des Wirbelkanals 30 und nimmt anschließend kontinuierlich in Richtung auf die Saugseite 16 ab. Zwischen Saugseite 16 und der der Saugseite 16 zugewandten Seite des Wirbelkanals 30 verbleibt im hinteren Bereich der Schaufel 14 ein Abstand.
Beim Strömen des Fluids in Hauptströmungsrichtung 23 fällt der Fluidstrom über die Abrisskante 32 in die Kehle des Wirbelkanals 30 hinab und bildet entlang der Abrisskante 32 und entlang der Flanke 34 einen Hilfswirbel 36, der, wie in Figur 1 gezeigt, im Uhrzeigersinn entgegen der Rotationsrichtung des Sekundärwirbels 28 (Kanalwirbel) rotiert. Durch den Fluidstrom in Hauptströmungsrichtung 23 wird der Hilfswirbel 36 entlang der Flanke 34 transportiert und bildet im Bereich der Mitte der Passage 20, d.h. im Bereich mittig zwischen zwei benachbarten Schaufeln 14, zusammen mit dem Sekundärwirbel 28 eine Ablöselinie 22, entlang der der Hilfswirbel 36 auf den Sekundärwirbel 28 trifft. Beim Aufeinandertreffen von Hilfswirbel 36 und Sekundärwirbel 28 wirken diese einander entgegen, so dass durch den Hilfswirbel 36 ein aerodynamischer Separator gebildet wird, der verhindert, dass durch den Sekundärwirbel 28 ein Massenstrom in Richtung auf die Saugseite 16 erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beeinflussung von Sekundärströmungen in einer Passage (20) zwischen zwei benachbarten Lauf- oder Leitschaufeln (14) einer Turbomaschine, wobei die Schaufeln (14) jeweils von einer Seitenwand (12) einer Nabe der Turbomaschine nach außen abstehen oder von einer Seitenwand eines umgebenden Gehäuses nach innen abstehen, und wobei die Passage (20) in einer Hauptströmungsrichtung (23) von einem Fluid durchströmt wird, mit dem Schritt:
Erzeugen eines stabilen Fluid-Hilfswirbels (36), der in der Passage (20) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (23) und entgegengesetzt zu einem Sekundärwirbel (28) rotiert, unter Verwendung eines in der Gehäuse- und/oder in der Nabenseitenwand (12) ausgebildeten Wirbelkanals (30), der in Bezug auf die Maschinen- oder Drehachse nicht rotationssymmetrisch ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) durch eine Abrisskante (32) am stromaufwärts gelegenen Ende des Wirbelkanals (30) und/oder durch eine Flanke (34) auf der der benachbarten Druckseite (18) einer Schaufel (14) zugewandten Seite des Wirbelkanals (30) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) in Hauptströmungsrichtung (23) vor der Passage (20) erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und die Rotationsgeschwindigkeit des Hilfswirbels (36) der Intensität und der Rotationsgeschwindigkeit des Sekundärwirbels (28) entsprechen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) in Hauptströmungsrichtung (23) durch die Passage (20) transportiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) durch den Wirbelkanal (30) in dem Bereich zwischen der Passagen- Mitte und der der Passagen-Mitte zugewandten Saugseite (16) einer der beiden Schaufeln (14) geführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) derart durch die Passage (20) geführt wird, dass der Hilfswirbel (36) nicht mit der saugseitigen und/oder der druckseitigen Leitschaufelgrenzschicht der Hauptströmung ϊnteragiert.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfswirbel (36) im Bereich des Austretens der Hauptströmung aus der Passage (20) aufgelöst wird.
9. Vorrichtung zum Reduzieren von Sekundärströmungen in einer Passage (20) zwischen zwei benachbarten Schaufeln (14) einer Turbomaschine, wobei die Schaufeln (14) jeweils von einer Seitenwand (12) einer Nabe der Turbomaschine abstehen, und wobei die Passage (20) in einer Hauptströmungsrichtung (23) von einem Fluid durchströmt wird, mit einem in der Nabenseitenwand (12) ausgebildeten und in Hauptströmungsrichtung (23) verlaufenden Wirbelkanal (30), der in Bezug auf die Nabenachse nicht rotationssymmetrisch ist, zum Erzeugen eines stabilen Fluid-Hilfswirbels (36), der senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (23) und entgegengesetzt zu einem Sekundärwirbel (28) rotiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (30) durch eine konkave Vertiefung in der Nabenseitenwand (12) in Form einer Kehle gebildet wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (30) am in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (23) stromaufwärts gelegenen Ende mit der Nabenseitenwand (12) eine Abrisskante (32) bildet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (32) mit der Nabenseitenwand (12) einen Winkel zwischen 30° und 60° und vorzugsweise einen Winkel von etwa 45° bildet.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskante (32) in Hauptströmungsrichtung (23) vor der Leitschaufel- Vorderkante (24) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (30) auf der der benachbarten Druckseite (18) einer Schaufel (14) zugewandten Seite eine Flanke (34) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanke (34) mit der Schaufel (14) einen Winkel von etwa 30-60° und vorzugsweise einen Winkel von etwa 50-60° bildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanke (34) in Hauptströmungsrichtung (23) eine Krümmung aufweist, die der Krümmung der Schaufel (14) entspricht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (30) im Bereich zwischen der Passagen-Mitte und der zur Passagen-Mitte weisenden Saugseite (15) einer Schaufel (14) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wirbelkanal (30) und mindestens einer der beiden benachbarten Schaufeln (14) ein solcher Abstand vorgesehen ist, dass der Hilfswirbel (36) nicht mit der saugseitigen und/oder druckseitigen Leitschaufelgrenzschicht der Hauptströmung interagiert.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Wirbelkanals (30) in Hauptströmungsrichtung (23) abnimmt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (30) im Bereich zwischen den Hinterkanten (26) der Schaufeln (14) endet.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich der tiefste Punkt des Wirbelkanals (30) vor der Schaufel- Vorderkante (24) befindet.
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