DE1937395A1

DE1937395A1 - Gitter zur Vermeidung der Sekundaerstroemung

Info

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

Description

Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Dettmering Aachen, den 22. Juli Am Chorusberg 26 Gitter zur Vermeidung der Sekundärströmung

Die Erfindung betrifft Leitbleche und überströmkanal im Bereich der Wandgrenzschichten zur Vermeidung von Sekundärströmungen.

Der Strömungsverlauf der wandnahen Fluidschichten in den Schaufelkanälen von Strömungsmaschinen wird maßgeblich vom Druckgradientenfeld der Primärströmung und in Rotoren zusätzlich von den Fliehkräften bestimmt. Die Stromlinien der verzögerten wandnahen Schichten können auf den Schaufeloberflächen starke Radialkomponenten besitzen und an den Begrenzungswänden (Deckband, Nabe oder Gehäuse) oder im Spalt zwischen Schaufelende, Nabe oder Gehäuse quer zur Hauptströmung gerichtet sein. Diese der Primärströmung überlagerten Fluidbewegungen heißen Sekundärströmungen. Sie sind die Ursache starker Verluste, weil sie einerseits einen Teil der kinetischen Energie der Hauptetrömung in rotatorische Wirbelenergie umwandeln und andererseits in den R&ndzonen durch Anhäufung energiearmen Materials auf der Saugseite der Schaufeln Ablösungen verursachen. Diese Ablösungen können bei genügend starker Umlenkung und hinreichend kurzen Schaufeln die gesamte Schaufelhöhe erfassen. Das Verhalten der Sekundärströmungen und die sie bestimmenden Einflußgrößen sind erst vor einiger

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Zeit richtig erkannt worden. Daher finden sich in ausgeführten Maschinen noch keine wirksamen konstruktiven Maßnahmen zur Unterdrückung der Sekundärströmungen. Als einzige Maß-* nähme können Deckbänder bei Turbinenleiträdern nabenseitig und bei Turbinenlaufrädern außen angesehen werden. Wenn sie auch aus anderen Gründen angewandt werden, schließen sie doch die Spalt3trömung um die Schaufelenden aus und verhindern, daß der Kanalwirbel durch Relativbewegung der Wand noch verstärkt wird. In älteren Vorschlägen zur Vermeidung der genannten Effekte wird zwar das Wort "Sekundärströmungen" erwähnt, der Mechanismus der Sekundärströmungen jedoch gar nicht bzw. nur unwesentlich berücksichtigt. Lediglich der Vorschlag (DAS II0837¹») könnte die Spalt strömung mildern und den Kanälwirbel verhindern, jedoch stören die Wirbelflossen das Potential der Hauptströmung stark, wodurch der Gewinn durch den Verlust kompensiert wird. Außerdem kann wegen der Schleppwirkung der äußeren Gehäusewand die Spaltströmung nur teilweise unterbunden werden. Gemäß eines anderen Vorschlags (DAS I026037), möchte man aus wandfernen Zonen "gesundes Strömungsmittel" in die wandnahe Zone auf der Schaufelsaugseite bringen. Bohrungen oder Kanäle von der Druck- zur Saugseite hin haben aber gemäß dem relativ kleinen Druckgefälle einen eigenen Strömungscharakter. Es lassen sich nur laminare Strömungen in ihnen verwirklichen, (Re < 23oo) so daß an der Austrittsstelle kleine Geschwindigkeiten mit parabolischem Geschw. Profil und verschwindend kleinen Massenströmen vorliegen. Von "energiereichem gesunden Strömungsmittel" kann nicht die Rede sein. Diese Lösung dürfte also kaum die gestellten Forderungen erfüllen. Der Vorschlag (DAS Ι0Ί62Ί6)

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bezieht sich auf Qrenzschichtzentrifugierung und Qrenzschichtströmungen bei nach hinten gepfeilten Schaufeln» kommt also für die vorliegende Aufgabe nicht in Betracht. Im Vorschlag (DAS II06027) werden vorhandene Deckbänder bei Verdichtern für das Abreißen der Strömung verantwortlich gemacht. Dabei ist gerade bei fehlendem Deckband die Profilendumströmung, bei Verdichtern noch verstärkt durch die Schleppwirkung der relativ bewegten Wand besonders verlustreich und bewirkt Spaltwirbel und Ablösungen im wandnahen Gebiet. Die Querverbindungen in der Nabenwand bringen, da sie senkrecht zur Hauptströmung austreten, zusätzliche Radial- oder Querkomponenten und damit unerwünschte Störungen in die Primärströmung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sekundärströmungen so entgegenzuwirken, daß ihre schädlichsten Auswirkungen stark gemildert oder ganz vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Leitbleche oder dünne Profile angepaßter Höhe an den äußeren und inneren Begrenzungswänden der Schaufelkanäle im Bereich der verzögerten wandnahen Fluidschichten angebracht werden und düsenförmige ÜberStrömkanäle am Schaufelkopf und Fuß vorgesehen sind, die tangential in die Kontur der Saugseiten einmünden. Die Leitbleche oder Profile können vorne gerundet sein und in Rotoren Verwindungen haben nach den Oeschwindigkeitsdreiecken der wandnahen Schicht.

Die Möglichkeit oder Zweckmäßigkeit der Anbringung der einen •oder anderen Maßnahme oder Kombinationen von beiden richtet

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sich jeweils danach, ob es eich um ein Leit- oder Laufrad, einen Verdichter oder eine Turbine, eine Radial- oder eine Axialmaschine handelt und inwieweit sich durch die konstruktive Oesamtlösung der Turbomaschine Grenzschichten aufgebaut haben. In schaufellosen Diffusoren von Radialmaschinen, symmetrischen oder asymmetrischen Spiralgehäusen können ebenfalls sinnvoll angebrachte Leitbleche oder Profile, die Entstehung der Doppelwirbel bzw. Stabwirbel verhindern.

Die Leitbleche oder dünnen Profile an der äußeren und inneren Begrenzungswand des Schaufelkanals verhindern, daß die verzögerten wandnahen Schichten der Zuströmung zur Profilsaugseite fließen, vielmehr werden sie in Richtung der Primärströmung geführt. Das gleiche gilt für die wandnahen Schichten auf der Profildruckseite, die bei NichtVorhandensein dieser Leitbleche über die kanalbegrenzende Wand ebenfalls zur Saugseite fließen. Ähnliches bewirken Kanäle, die im Bereich der Wandgrenzschichten eine Verbindung zwischen Druck- und Saugseite herstellen. Es ist wichtig, daß diese Kanäle angepaßter Höhe etwa tangential in die Kontur der Saugseite einmünden. Die Zulaufgrenzschichten sowie die verdrängten oder zentrifugieren Grenzschichten der Druckseite finden nun in Wandnähe ein verändertes Druckpotential vor und treten teilweilse in diese Kanäle ein. In Laufrädern wird ihnen durch Druckgefälle und mechanisch durch die bewegte Oberströmkanalwand Energie zugeführt, wodurch sie energiereicher und in Hauptetrömungsrichtung auf der Saugseite austreten. Dadurch werden die bekannten Randablösungen auf der Saugseite vermieden, die maximal mögliche Umlenkung erhöht und die Zuströe-

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bedingungen für die nachfolgenden Stufen verbessert.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele anhand schematischer Darstellungen erläutert. Dieee Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein axiales Laufradgitter mit Außendeckband (2). Dünn· Leitbleche (1) oder Profile (1) am Deckband (2) und/oder an der Nabe (3) angeordnet, deren Höhe jeweils der Grenzschichtdicke angepaßt wird, führen die Zuströmgrenzschichten und die von der Druckseite (5) des Schaufelprofils (4) abfließende Grenzschicht in Richtung der Hauptströmung. Hierdurch wird der Transport energiearmen Materials auf die Profilsaugseite und das nachfolgende Aufrollen zum inneren und äußeren Kanalwirbel vermieden. Die Hauptströmung löst in den Randzonen nicht mehr von der Profilsaugseite (6) ab. Pig. 2 ein axiales Verdichterlaufrad ohne Außendeckband mit einem Spalt (lo) zwischen den äußeren Schaufelenden und der Gehäusewand (9). Die äußeren freien Schaufelenden sind so eingefräst, daß von der Druckseite (5) zur Saugseite (6) hin düsenförmige Kanäle (7) mit dünnen Zwischenwänden (8) entstehen, die etwa tangential in die Profilsaugseite (6) einmünden. Die Höhe der Kanäle riohtet sich jeweils nach der Grenzschichtdicke. Der freie Spalt (lo) zwischen den Oberkanten der Zwischenst ge (8) und dem Gehäuse (9) soll bei Betriebsdrehzahl möglichst gering sein. Pig. 3 ein Radialverdichterlaufrad (11) und eine Leitvorrichtung (12) im Radialschnitt. Leitbleche (1) auf den Begrenzungswänden der Sohaufelkanäle, deren Höhe der jeweiligen Orenjteehicfatdieke «agepaftt ist, verhindern

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den Transport der wandnahen energiearmen Strömungsschichten zur Saugseite (6). Dadurch wird die Ablösung auf der Saug-* seite und die starken Geschwindigkeitsgradienten der Hauptströmung infolge Kanalblockierung vermieden. Außerdem werden die Anströmbedingungen fUr die Leitvorrichtung verbessert. Pig. H und *> zeigen Schnitte durch die Strömungskanäle der Leitvorrichtung (12, Fig. 3) und des Laufrades (11, Fig. 3) mit den Leitblechen (1) auf den Begrenzungswänden (13, 14).

ORIGINAL INSPECTED

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Claims

Patentansprüche

ι 1. Leit- oder Laufradgitter für axiale, diagonale oder ra-" diale Turbomaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß auf den kanalbegrenzenden Wänden zwischen den Profilen ein oder mehrere Leitbleche oder dünne Profile eingebaut sind, deren Höhe etwa der vorhandenen Grenzschichtdicke entspricht und deren Eintrittswinkel und Austrittswinkel mit den Qitterdaten in der Einbauzone übereinstimmen.
2. Leit* und Laufradgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche in ihren An- und Abströmwinkeln den Qeschwindigkeitsdreiecken innerhalb der Grenzschicht angepaßt sind, wodurch sich eine Verwindung ergibt.
3. Leit- und Laufradgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche für einen Mittelwert der Qeschwindigkeitsdreiecke in der Grenzschicht ausgelegt und somit nicht verwunden sind.
k. Leit- und Laufradgitter nach Anspruch 1,2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung unprofilierter Leitbleche diese an den Eintrittskanten gerundete Verdiokungen aufweisen.
5. Leit- und Laufradgitter durch Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Leitbleche nur einen Teil der Orenzschichtdicke beträgt.
6. Leit- und Laufradgitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wirkungsbereichs der Wand-

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grenzschiohten die Schaufelprofile von der Druckseite zur Saugseite hin düsenförmige und gitterförmige überströmkanäle aufweisen, die etwa tangential in die Kontur der Saugseite einmünden und deren Höhe der Wandgrenzschichtdicke entspricht oder weniger als diese beträgt* so daß die Sekundärströmung vermieden wird.

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