Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Reduzierung der Verluste einer Fluidströmung
in beschaufelten Strömungskanälen von Turbomaschinen, insbesondere in Dampf- oder
Gasturbinen.
Stand der Technik
[0002] Um die heutzutage üblichen Wirkungsgrade einer Turbomaschine, insbesondere einer
Dampf- oder Gasturbine, noch weiter zu steigern, ist es von zentraler Bedeutung, die
bei der Durchströmung der beschaufelten Strömungskanäle der Turbomaschine auftretenden
Strömungsverluste des Fluides zu verringern.
[0003] Die bei der Durchströmung eines beschaufelten Strömungskanals einer Turbomaschine
auftretenden Strömungsverluste setzen sich maßgeblich einerseits aus Profil- und Seitenwandverlusten
sowie andererseits aus Sekundärströmungsverlusten der Fluidströmung zusammen. Profil-
und Seitenwandverluste ergeben sich als Folge der Ausbildung von Strömungsgrenzschichten
des viskosen Strömungsfluides beim Überströmen von Bauteilwandungen. Unter Sekundärströmungen
werden alle von der primären, potentialtheoretisch zu betrachtenden Strömung abweichenden
Strömungen, insbesondere Wirbelströmungen, verstanden, wie z. B. Ausgleichsströmungen
zwischen der Druck- und Saugseite eines Schaufelkanals sowie der Kanalwirbel, der
Hufeisenwirbel, der Hinterkantenwirbel, der Eckenwirbel und der Spaltwirbel.
[0004] Eine am Umfang einer Turbomaschine angeordnete Reihe von Schaufeln wird üblicherweise
als Gitter bezeichnet. Die Schaufeln eines Gitters, im Folgenden als Vollschaufeln
bezeichnet, sind in der Regel alle in gleicher Weise ausgeführt. Eine Turbomaschine
besteht zumeist aus einer Anordnung mehrerer feststehender und bewegter, hintereinander
angeordneter Gitter. Je zwei nebeneinander angeordnete Vollschaufeln bilden zusammen
mit den strömungsbegrenzenden Seitenwänden einen Schaufelkanal.
[0005] Neben dem Grad der Umlenkung des Strömungsfluides bestimmt insbesondere die Profilierung
der Vollschaufeln eines jeden Gitters sowohl in Schaufellängs- als auch in Schaufelhöhenrichtung
und somit die lokale Strömungsführung das Verlustverhalten der einzelnen Gitterströmungen.
Moderne Gitter in Turbinen werden heutzutage zumeist als 'aft-loaded' belastungsverteilt
ausgeführt, d. h., daß die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung entlang der saugseitigen
Profiloberfläche einer Turbinenschaufel in der hinteren Hälfte der in Strömungsrichtung
betrachteten Vollschaufel ein Maximum aufweist. Die maximale Geschwindigkeit tritt
in guter Näherung in der Ebene kleinsten geometrischen Strömungsquerschnittes des
betrachteten Schaufelkanals auf. Bei maximaler Strömungsgeschwindigkeit weist die
Strömung einen minimalen statischen Druck auf der saugseitigen Profiloberfläche der
Vollschaufel auf. Hieran schließt sich eine Diffusion der Strömung auf der Saugseite
der Vollschaufel bis zur Hinterkante hin an, wodurch die Geschwindigkeit der Strömung
abnimmt. Dies führt zu einem Anstieg des statischen Druckes entlang des saugseitigen
Profils der Voll schaufeln stromab des engsten Querschnitts des Schaufelkanals. Die
Strömung muß somit in diesem Bereich gegen einen positiven Druckgradienten anströmen.
Neben einem verstärkten Anwachsen der Grenzschicht entlang des Schaufelprofils resultiert
hieraus eine höhere Ablösegefahr der saugseitigen Strömung im Bereich der Hinterkante.
Beide Effekte wiederum haben sowohl eine Zunahme der reibungsbedingten Verluste der
Strömung als auch eine Zunahme der Deviation des Abströmwinkels des Gitters zur Folge.
[0006] Die Strömungsverluste treten verstärkt insbesondere in den saugseitigen Bereichen
eines Schaufelkanals nahe der Nabe und des Gehäuses auf. Als Ursache für die Zunahme
der Strömungsverluste ist einerseits das Aufeinandertreffen der Strömungsgrenzschichten
sowohl des Schaufelprofils als auch der Seitenwände in den Eckenbereichen des betrachteten
Schaufelkanals zu nennen. Dies führt zu einer lokalen Aufdickung der Grenzschicht
in den Eckenbereichen des Schaufelkanals. Andererseits bildet sich infolge der Umlenkung
der Strömung im Schaufelkanal ein Druckgradient und somit eine Druck- und eine Saugseite
des Schaufelkanals aus. Aufgrund dieses Druckgradienten von der Druckseite zur Saugseite
benachbarter Schaufeln kommt es in diesem Schaufelkanal zu einer ständigen Drift von
Grenzschichtmaterial in Richtung der Saugseite. Dadurch wird der Kanalwirbel verstärkt,
was letztlich eine Erhöhung der Strömungsverluste zur Folge hat. Die gegenseitige
Überlagerung der auftretenden Strömungsphänomene führt somit zu hochgradig dreidimensionalen
Strömungen.
[0007] Moderne Beschaufelungskonzepte versuchen diesen Überlegungen dadurch Rechnung zu
tragen, daß der Verlauf der aerodynamischen Belastung über der Schaufelhöhe der Vollschaufel
ein den Strömungsverhältnissen angepaßtes Belastungsprofil aufweist. Diese dreidimensional
konturierten Schaufeln sind aber in der Herstellung extrem teuer. Zudem erfolgt die
Anpassung der aerodynamischen Belastung durch Entlastung der kritischen Gebiete und
stellt somit lokal kein Zugewinn sondern eine Verringerung der Umlenkung und somit
der Leistungsdichte dar.
[0008] Alternativ hierzu können am Umfang einer Turbomaschine zahlenmäßig mehr Vollschaufeln
eingesetzt werden. Dies führt zu einer Verringerung des Abstandes zwischen der Druck-
und der Saugseite in einem Schaufelkanal und hierdurch zu geringeren Druckunterschieden.
Hieraus resultieren zwar geringere sekundärströmungsbedingte Verluste der Gitterströmung;
die zunehmenden Profilverluste übersteigen jedoch den Zugewinn.
Darstellung der Erfindung
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Strömungsverluste der Fluidströmung
durch eine Turbomaschine, insbesondere durch eine axial durchströmte Turbine, zu vermindern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest an einer strömungsbegrenzenden
Seitenwand der Turbomaschine zwischen zwei Vollschaufeln zumindest eine Zwischenschaufel
angeordnet ist.
[0010] Es ist bekannt, daß die höchsten Strömungsverluste einer Fluidströmung bei Durchströmen
der Beschaufelung einer Turbomaschine in einem Schaufelkanal überwiegend auf den Saugseiten
der Vollschaufeln auftreten. Über der Schaufelhöhe weisen hierbei die Bereiche nahe
den naben- und gehäuseseitig strömungsbegrenzenden Seitenwänden das höchste Verlustverhalten
auf. Als Ursache für diese Strömungsverluste sind die hochgradig dreidimensionalen
Strömungsverhältnisse in diesen Bereichen, insbesondere in den saugseitigen Ecken
des jeweils betrachteten Schaufelkanals, zu nennen. Diese dreidimensionalen Strömungsverhältnisse
wiederum haben eine maßgebliche Ursache in dem Druckgradienten zwischen der Druck-
und der Saugseite des Schaufelkanals. Der Druckgradient resultiert aus der Umlenkung
der Fluidströmung in dem Schaufelkanal. Infolge dieses Druckgradienten bildet sich
wiederum eine Ausgleichsströmung zwischen der Druck- und der Saugseite eines jeden
Schaufelkanals aus. Diese Ausgleichsströmung stellt eine Sekundärströmung dar und
verläuft überwiegend innerhalb der Grenzschichten, wodurch es zu einer Anhäufung energetisch
defizitären Grenzschichtfluides in den saugseitigen Seitenwand- und Profilgrenzschichten
kommt. Darüber hinaus verstärkt sich bei übermäßiger Anhäufung des Grenzschichtfluides
auf der Saugseite durch ein Eindrehen des energetisch defizitären Grenzschichtfluides
der Kanalwirbel.
[0011] Hier setzt die Erfindung an. Durch die erfindungsgemäße Anordnung zumindest einer
Zwischenschaufel an zumindest einer strömungsbegrenzenden Wand zwischen zwei Vollschaufeln
wird der Schaufelkanal lokal in mindestens zwei Teilkanäle unterteilt. Die Zwischenschaufel
ist in ihrer Höhe kleiner ausgeführt als die Vollschaufel. Somit erstreckt sich die
Zwischenschaufel nicht über die gesamte Höhe des Schaufelkanals. Infolgedessen wird
der Schaufelkanal durch die Anordnung der Zwischenschaufel nur bis zu der Höhe der
Zwischenschaufel unterteilt.
[0012] Die Zwischenschaufeln können zweckmäßig an den nabenseitigen und/oder den gehäuseseitigen
Seitenwänden der Schaufelkanäle einer Turbomaschine angeordnet sein. Alternativ hierzu
kann es auch von Vorteil sein, wenn je Seitenwand mehrere Zwischenschaufeln gruppiert
werden, die den Schaufelkanal lokal in mehrere, gleich große Teilkanäle unterteilen.
Bevorzugt erfolgt die Anordnung von Zwischenschaufeln in allen Schaufelkanälen eines
Strömungsgitters in gleicher Weise. Im Rahmen der Beschreibung der Erfindung wird
davon ausgegangen, daß die Vollschaufeln innerhalb eines Strömungsgitters gleiche
Profilkonturen aufweisen. Dies stellt aber keine Grundvoraussetzung für den Einsatz
von Zwischenschaufeln dar. Die Zwischenschaufeln können auch in Schaufelkanälen zwischen
unterschiedlich konturierten Vollschaufeln eingesetzt werden.
[0013] Es hat sich gezeigt, daß die Höhe der Zwischenschaufel für die Ausführung der Erfindung
von wesentlicher Bedeutung ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die Zwischenschaufel eine Höhe zwischen etwa 3% und etwa 10% der Höhe einer
der den Schaufelkanal bildenden Vollschaufeln auf. Diese Höhe ist bevorzugt in Abhängigkeit
des Schaufelhöhenverhältnisses H/s der Vollschaufel zu wählen, wobei die Höhe der
Zwischenschaufel bevorzugt etwa 3% bei großem Schaufelhöhenverhältnis H/s und etwa
10% bei kleinem Schaufelhöhenverhältnis H/s der Höhe H der Vollschaufel beträgt. H
steht hierbei für die Höhe der Vollschaufel und s für die Sehnenlänge der Vollschaufel.
Das Verhältnis der Höhe der Zwischenschaufel zu dem Schaufelhöhenverhältnis der Vollschaufel
ist somit gegenläufig. In Schaufelkanälen zwischen langen und schlanken Vollschaufeln,
die somit ein großes Schaufelhöhenverhältnis aufweisen, sind infolgedessen vorzugsweise
in Relation zu den Vollschaufeln kleine Zwischenschaufeln anzuordnen und umgekehrt.
Große Schaufelhöhenverhältnisse treten zumeist im Mittel- und Niederdruckbereich einer
Dampf- oder Gasturbine auf, kleine Schaufelhöhenverhältnisse hingegen oftmals im Hochdruckbereich
einer Dampf- oder Gasturbine. Es zeigte sich, daß die Anordnung einer Zwischenschaufel,
die mit einer der bevorzugten Ausführungsform entsprechenden Höhe ausgeführt ist,
zu einer optimalen Verminderung der Gesamtverluste der Strömung führt. Einerseits
ist eine derart gewählte Höhe ausreichend, um die sich in der Grenzschicht ausbildende
Sekundärströmung effektiv zu unterbinden. Andererseits steigen die Profilverluste
infolge geringer, zusätzlich überströmter Wandflächen der Zwischenschaufel nur geringfügig
an.
[0014] Es ist besonders zweckmäßig, die Zwischenschaufel mit einer sehr geringen Schaufeldicke
auszuführen. Bevorzugt beträgt die maximale Profildicke d' der Zwischenschaufel zwischen
etwa 2% und etwa 10% der maximalen Profildicke d der Vollschaufeln, in Abhängigkeit
des Schaufeldickenverhältnisses d/s der Vollschaufeln bevorzugt etwa 2% bei großem
Schaufeldickenverhältnis und etwa 10% bei kleinem Schaufeldickenverhältnis. Bei geringer
Schaufeldicke der Zwischenschaufel tritt eine nur geringe Verdrängungswirkung durch
die Zwischenschaufel auf. Diese geringe Verdrängungswirkung führt zu einer nur geringen
Zunahme der Profilverluste der Zwischenschaufel. Diese Profilverluste sind somit deutlich
niedriger als die Profilverluste einer Vollschaufel mit vergleichbarer Höhe.
[0015] Weiterhin wurde gefunden, daß es für die Ausführung der Erfindung besonders zweckmäßig
ist, die Schaufelnase der Zwischenschaufel gegenüber den Schaufelnasen der Vollschaufeln
in dem Schaufelkanal stromab zu versetzen, d.h. zurückzuversetzen. Bevorzugt erfolgt
die Zurückversetzung der Schaufelnase der Zwischenschaufel gegenüber den Schaufelnasen
der Vollschaufeln mit einer Versetzung V, wobei die Versetzung V zwischen 3% und 10%
der axialen Sehnenlänge T einer Vollschaufel beträgt. Besonders vorteilhaft im Hinblick
auf geringe Strömungsverluste ist hier eine Zurückversetzung der Zwischenschaufel
um etwa 5% der axialen Sehnenlänge T einer Vollschaufel. Die Versetzung V ist hierbei
als der Abstand der zurückversetzten Schaufelnase zu der die Schaufelnasen der Vollschaufeln
verbindenden Geraden zu bestimmen. Insbesondere im Falle einer Fehlanströmung des
Gitters treten infolge der Zurückversetzung der Schaufelnase deutlich verminderte
Profilverluste des Gitters im Vergleich zu einer nicht versetzten Anordnung der Zwischenschaufel
auf. Die Zurückversetzung der Schaufelnase der Zwischenschaufel führt darüber hinaus
zu einer Vergrößerung des Winkelanströmbereichs des Gitters und somit zu einer Vergrößerung
des Betriebsbereichs der Turbomaschine.
[0016] Die Erstreckung der Zwischenschaufel in dem Schaufelkanal ist bevorzugt so zu wählen,
daß die Hinterkante der Zwischenschaufel gegenüber den Hinterkanten der Vollschaufeln
in einem Bereich zwischen der fluchtenden Anordnung der Hinterkanten (entspricht 0%
Versetzung) und einer maximalen Versetzung stromauf angeordnet ist. Die maximale Versetzung
der Hinterkante der Zwischenschaufel stromauf, d.h. die maximale Vorversetzung der
Hinterkante, beträgt hier 120% des Abstandes der fluchtend angeordneten Hinterkante
zu dem engsten Querschnitt des Schaufelkanals. Diese Abstände sind jeweils als Lotrechte
auf den engsten Querschnitt des Schaufelkanals zu ermitteln.
[0017] Besonders bevorzugt beträgt die Versetzung der Hinterkante der Zwischenschaufel zwischen
100% und 120% des Abstandes der fluchtend angeordneten Hinterkanten zu dem engsten
Querschnitt des Schaufelkanals und insbesondere bevorzugt zwischen 110% und 120%.
Als Vorteil dieser bevorzugten Anordnung der Hinterkante der Zwischenschaufel gegenüber
einer fluchtend angeordneten Hinterkante ist eine verbesserte Anströmung der nächsten
Schaufelreihe zu nennen. Dieser Vorteil wird deshalb erreicht, weil die aus dem Schaufelkanal
austretenden, durch die Zwischenschaufeln verursachten Nachlaufdellen in dem Druckverlauf
der Fluidströmung aufgrund der Beschleunigung der Strömung bis zum engsten Querschnitt
des Schaufelkanals verringert werden. Dies führt zu geringeren dissipativen Verlusten
der Strömung. Zudem können Turbomaschinen relativ leicht mit den erfindungsgemäßen
Zwischenschaufeln nachgerüstet werden. Hierzu sind lediglich entsprechende Nuten in
den Seitenwänden einzubringen. Um den gleichen Massendurchsatz durch einen betroffenen
Schaufelkanal zu gewährleisten, ist es nicht erforderlich, die vorhandene Beschaufelung
zu verändern, da der engste Querschnitt des Schaufelkanals erhalten bleibt.
[0018] Als eine Alternative hierzu beträgt die Versetzung der Hinterkante der Zwischenschaufel
besonders bevorzugt zwischen 0% und 40% des Abstandes der fluchtend angeordneten Hinterkanten
zu dem engsten Querschnitt des Schaufelkanals und insbesondere bevorzugt zwischen
10% und 20%. Durch die Anordnung der Hinterkante der Zwischenschaufel stromab des
engsten Querschnitts des Schaufelkanals resultiert hieraus vorteilhaft eine zusätzliche
Führung der Fluidströmung auf der Saugseite der Vollschaufel. Im Falle einer 0%-igen
Versetzung der Hinterkante der Zwischenschaufel ist diese Führung der Fluidströmung
maximal. Infolge dieser zusätzlichen Führung der Fluidströmung ergeben sich verminderte
Strömungsverluste und eine genauere Kontrolle der Abströmwinkel. Gleichzeitig wird
der engste Querschnitt des Schaufelkanals durch die Anordnung der Zwischenschaufel
vermindert. Diese Verminderung des engsten Querschnittes des Schaufelkanals kann über
eine Umstaffelung der Vollschaufeln kompensiert werden. Neben der Verbesserung der
Strömungsführung wird darüber hinaus auch die Belastung der Schaufel weiter nach hinten
verschoben. Dies führt letztlich zu einer weiteren Verminderung der Strömungsverluste.
[0019] Es ist zweckmäßig, die Zwischenschaufel insbesondere in den Bereichen des engsten
Querschnitts des Schaufelkanals näherungsweise mittig, bevorzugt zwischen 40% und
60% des engsten Querschnitts des Schaufelkanals, im Schaufelkanal anzuordnen. Darüber
hinaus erwies es sich als besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich auch der engste Querschnitt
des der Saugseite der Vollschaufel zugewandten Teilkanals näherungsweise der Hälfte
des engsten Querschnitts des Schaufelkanals, bevorzugt zwischen 40% und 60% des engsten
Querschnitts des Schaufelkanals, entspricht. Letzteres gilt nur, wenn die Hinterkante
der Zwischenschaufel nicht in Bereiche stromauf des engsten Querschnitts des Schaufelkanals
vorversetzt ist. Infolge der näherungsweisen Halbierung der planen Seitenwandfläche
durch die Anordnung der Zwischenschaufel bildet sich in beiden Teilkanälen eine annähernd
gleich stark ausgeprägte Seitenwandgrenzschicht aus. Somit kommt es ungefähr zu einer
aerodynamischen Gleichbelastung der Saugseite der Zwischenschaufel sowie der Vollschaufel.
Es stellte sich jedoch heraus, daß die Summe der Strömungsverluste in den Teilkanälen
gegenüber den Strömungsverlusten in dem Schaufelkanal ohne Zwischenschaufel deutlich
vermindert wird. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Strömungsverluste in der bevorzugten
Ausführung der Erfindung mit einem näherungsweise konstanten Querschnitt des Teilkanals
zwischen dem engsten Querschnitt des Schaufelkanals und dem engsten Querschnitt des
Teilkanals besonders niedrig sind. Diese niedrigen Strömungsverluste treten hier deswegen
auf, weil die Strömung in den Bereichen stromab des engsten Querschnitts des Schaufelkanals
weder eine deutliche Beschleunigung noch eine deutliche Verzögerung erfährt.
[0020] Für die Ausführung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, die Saugseite der
Zwischenschaufel in gleicher Weise oder annähernd in gleicher Weise zu profilieren
wie die Saugseiten der Vollschaufeln. Die Zuordnung der Profilkonturen der Zwischenschaufel
zu den Vollschaufeln erfolgt hierbei über die axiale Position im Schaufelkanal. Es
zeigte sich, daß die Profilverluste der Zwischenschaufel in besonderem Maße von der
saugseitigen Profilkontur beeinflußt werden. In Zusammenhang mit der geringen Profildicke
der Zwischenschaufel ergibt sich somit eine druckseitige Profilkontur der Zwischenschaufel,
die von den druckseitigen Profilkonturen der Vollschaufeln abweicht.
[0021] Es ist besonders zweckmäßig, den Krümmungsradius der Zwischenschaufel im Bereich
nach dem engsten Querschnitt des Schaufelkanals bevorzugt zwischen 90% und 110% des
saugseitigen Krümmungsradius der Vollschaufel im Bereich nach dem engsten Querschnitt
des an die Saugseite der Vollschaufel angrenzenden Teilkanals auszuführen.
[0022] Weiterhin ist es vorteilhaft, die Kanten der Zwischenschaufel, die von der Primärströmung
frontal angeströmt werden, abzuflachen oder abzurunden. Die durch die Zwischenschaufel
und die Seitenwand gebildeten Ecken in Längsrichtung der Teilkanäle sind hingegen
jedoch bevorzugt rechtwinklig ausgeführt.
[0023] Oftmals weisen die Vollschaufeln eines Strömungsgitters am Schaufelfuß oder auch
am Schaufelkopf Plattformen auf, die zumeist in einem näherungsweise rechten Winkel
zur Schaufelhöhenrichtung angeordnet sind. Diese Plattformen sind hierbei plan und
in ihrer Grundfläche zumeist rhombenförmig ausgeführt. Durch Aneinanderreihung der
Plattformen am Umfang einer Rotationsmaschine ergeben sich hieraus die Seitenwände
des Strömungskanals.
[0024] Erfolgt der Aufbau der Seitenwände über eine Aneinanderreihung derartiger Plattformen,
so ist es zweckmäßig, die Zwischenschaufel auf den Plattformen anzuordnen.
[0025] Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, die Zwischenschaufel in Segmente aufzuteilen.
Die Segmente der Zwischenschaufel können somit getrennt voneinander auf einer oder
mehreren Plattformen angeordnet werden. Eine Aufteilung einer Zwischenschaufel auf
zwei Plattformen kann beispielsweise dann auftreten, wenn die Trennfuge zwischen zwei
Plattformen näherungsweise mittig im Schaufelkanal angeordnet ist und die Zwischenschaufel
ebenfalls vorzugsweise mittig positioniert wird.
[0026] In einer weiteren Ausführung ist die Zwischenschaufel oder sind die Segmente der
Zwischenschaufel mit der jeweiligen Plattform einteilig ausgeführt. Diese einteiligen
Bauteile können beispielsweise durch Gießen kostengünstig hergestellt werden.
[0027] Alternativ hierzu kann es auch von Vorteil sein, die Zwischenschaufel und die Plattform
getrennt zu fertigen. Bevorzugt sind hierbei eine oder mehrere Nuten in die Plattform
eingearbeitet. Die Zwischenschaufel kann somit in geeigneter Weise in diesen Nuten
befestigt werden. Die Befestigung der Zwischenschaufeln kann auch dann vorteilhaft
in dieser Weise erfolgen, wenn die Seitenwände nicht aus aneinandergereihten Plattformen,
sondern aus einem Kreisring gebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0028] In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
[0029] Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch einen Strömungskanal in der Vorderansicht, wobei in dem Strömungskanal
zwischen zwei Vollschaufeln erfindungsgemäß sowohl an der nabenseitig als auch an
der gehäuseseitig strömungsbegrenzenden Seitenwand je eine Zwischenschaufel angeordnet
sind;
- Fig. 2
- einen Schnitt durch einen Schaufelkanal zwischen zwei Vollschaufeln in der Draufsicht
gemäß dem Stand der Technik;
- Fig. 3
- einen Schnitt durch einen Schaufelkanal in der Draufsicht, wobei in dem Schaufelkanal
eine Zwischenschaufel mit zurückversetzter Schaufelnase angeordnet ist;
- Fig. 4
- einen Schnitt durch einen Schaufelkanal in der Draufsicht, wobei in dem Schaufelkanal
eine Zwischenschaufel mit sowohl zurückversetzter Schaufelnase als auch vorversetzter
Hinterkante angeordnet ist;
- Fig. 5
- eine Vergrößerung des Bereichs der Hinterkanten des Schaufelkanals aus Figur 4;
- Fig. 6
- einen Schnitt durch einen Schaufelkanal in der Draufsicht, in dem eine Zwischenschaufel
angeordnet und in Segmente unterteilt ist;
- Fig. 7
- einen Schnitt durch eine Seitenwand mit einer in Nuten angeordneten Zwischenschaufel.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0030] Die in Figur 1 dargestellte Anordnung zeigt einen lochkreisförmigen Strömungskanal
120 in der Vorderansicht. Der Strömungskanal 120 weist eine innere (nabenseitig) strömungsbegrenzende
Seitenwand 122 und eine äußere (gehäuseseitig) strömungsbegrenzende Seitenwand 123
auf. Darüber hinaus sind zwei der in dem Strömungskanal 120 angeordneten Vollschaufeln
130, 130' dargestellt. Die Vollschaufeln 130, 130' sind radial ausgerichtet, wobei
sich die verlängerten Mittelachsen 124 der Vollschaufeln 130, 130' im Mittelpunkt
121 oder nahe des Mittelpunktes 121 des Strömungskanals 120 schneiden. Ferner weisen
die Vollschaufeln 130, 130' eine Höhe H auf. Die in dem Strömungskanal angeordneten
Vollschaufeln 130, 130' begrenzen einen Schaufelkanal 160. Der in Figur 1 dargestellte
Schaufelkanal 160 entspricht hier einem Schaufelkanal eines Strömungsgitters einer
axial durchströmten Turbomaschine.
[0031] Mittig in dem Schaufelkanal 160 sind in der in Figur 1 dargestellten Ausführung erfindungsgemäß
sowohl an der nabenseitig als auch an der gehäuseseitig strömungsbegrenzenden Seitenwand
122, 123 je eine Zwischenschaufel 150, 155 angeordnet. Die Zwischenschaufeln 150,
155 sind in gleicher Weise radial ausgerichtet wie die Vollschaufeln 130, 130'. Die
Zwischenschaufeln 150, 155 sind mit einer kleineren Höhe h als die Vollschaufeln ausgeführt.
Die Höhe h der Zwischenschaufeln 150, 155 in Figur 1 entspricht etwa 10% der Höhe
H der Vollschaufeln 130, 130'. Die Zwischenschaufeln 150, 155 könnten auch mit unterschiedlichen
Höhen ausgeführt sein. Es stellte sich heraus, daß im Hinblick auf eine optimale Verminderung
der Strömungsverluste die Höhe h der Zwischenschaufel eine wichtige Einflußgröße darstellt.
[0032] Bedingt durch die Anordnung der Zwischenschaufeln 150, 155 wird der Schaufelkanal
160 jeweils lokal in zwei Teilkanäle 170, 171 und 180, 181 unterteilt. Die Ecken der
Teilkanäle zwischen der Zwischenschaufel und der Seitenwand in Längsrichtung der Teilkanäle
sind in der Ausführung gemäß Figur 1 rechtwinklig ausgeführt.
[0033] Figur 2 zeigt in der Draufsicht einen Schnitt durch einen Schaufelkanal 60, der dem
Stand der Technik zugehörig ist. Der Schaufelkanal 60 ist vereinfachend als Ausschnitt
eines in der Ebene abgewickelten Gitters dargestellt. Die Umfangsrichtung des am Umfang
einer Maschine angeordneten Gitters entspricht in der Darstellung somit der Längsrichtung
91 des Gitters. Der Schaufelkanal 60 wird in Längsrichtung 91 des Gitters durch die
Vollschaufeln 30 und 30' begrenzt. Die Vollschaufeln 30, 30' sind hier geometrisch
gleich ausgeführt.
Als geometrische Größen der Vollschaufeln 30, 30' ist die axiale Sehnenlänge T der
Vollschaufeln 30, 30' und die Sehnenlänge s der Vollschaufeln 30, 30' eingezeichnet.
Die jeweilige Profildicke ergibt sich durch ein Einpassen von Kreisen in die Profilkontur
der Schaufel. Die maximale Profildicke repräsentiert somit den Durchmesser des größten,
der Profilkontur eingepaßten Kreises. Die maximale Profildicke der Vollschaufeln 30,
30' wird mit d gekennzeichnet. Ausgehend von den oben aufgeführten geometrischen Größendefinitionen
der Vollschaufeln 30, 30' lassen sich das Schaufeldickenverhältnis d/s und das Schaufelhöhenverhältnis
H/s definieren. Der engste Querschnitt 65 des Schaufelkanals 60 ist durch die Strecke
zwischen A und B" gekennzeichnet.
[0034] Das in Figur 2 dargestellte Gitter ist hier als Turbinengitter ausgeführt. Der Schaufelkanal
60 weist infolgedessen eine kontinuierliche Verengung des Kanalquerschnittes vom Eintritt
zum Austritt des Schaufelkanals 60 hin auf.
[0035] Der Schaufelkanal 60 wird von Fluid gemäß der Anströmrichtung 12 angeströmt. Das
Fluid tritt in den Schaufelkanal 60 ein und wird hier dem Schaufelprofil folgend umgelenkt.
Diese dem Schaufelprofil folgende Strömung wird als Primärströmung 10 bezeichnet.
Infolge der Umlenkung in dem Schaufelkanal kommt es zu einer Ausbildung einer Druckseite
31' und einer Saugseite 32 in dem Schaufelkanal 60. Dieser Druckgradient innerhalb
des Schaufelkanals 60 führt zur Ausbildung einer Sekundärströmung 11 hauptsächlich
in der Seitenwandgrenzschicht. Aufgrund dieser Sekundärströmung 11 kommt es darüber
hinaus zur Anfachung des Kanalwirbels 11'. Weiterhin tritt entlang der Ecken des Schaufelkanals
der Eckenwirbel 11" auf. Diese als Sekundärströmungen bezeichneten Strömungsformen
11, 11', 11'' führen zu hohen Verlusten der Fluidströmung durch den Schaufelkanal.
[0036] Figur 3 zeigt in einer gleichen Schnittbetrachtung wie in Figur 2 einen Schaufelkanal
160, in dem erfindungsgemäß eine Zwischenschaufel 150 angeordnet ist. Die Anströmung
112 des Gitters erfolgt in der Darstellung von links. In der in Figur 3 dargestellten
Ausführung der Erfindung ist eine Zwischenschaufel 150 näherungsweise mittig im Schaufelkanal
160 angeordnet. Infolge der Anordnung der Zwischenschaufel 150 wird der Schaufelkanal
160 in zwei Teilkanäle 180, 181 unterteilt. Es wurde gefunden, daß die Verluste bei
der Durchströmung des Schaufelkanals in der Summe der Verluste der Teilkanäle 180,
181 bei Anordnung der Zwischenschaufel 150 in dem Schaufelkanal 160 gegenüber der
Anordnung ohne Zwischenschaufel deutlich verringert werden.
[0037] Die Schaufelnase 153 der Zwischenschaufel 150 ist in dieser Ausführung der Erfindung
um einen axialen Abstand V zurückversetzt. Die Zurückversetzung der Schaufelnase 153
der Zwischenschaufel 150 bezieht sich auf die Verbindungsgerade der Schaufelnasen
133, 133' der Vollschaufeln 130, 130', also der Front-Linie 195 des Gitters. Die Zurückversetzung
V beträgt hier in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung etwa 5 % der
axialen Sehnenlänge T der Vollschaufeln 130, 130'. Überraschenderweise wurde gefunden,
daß durch die Zurückversetzung der Zwischenschaufel die Profilverluste der Zwischenschaufel
150 in diesem Bereich stärker abnehmen, als die Sekundärströmungsverluste zunehmen.
Insgesamt treten bei zurückversetzter Schaufelnase der Zwischenschaufel somit geringere
Verluste der Strömung auf als im Falle einer fluchtenden Anordnung der Schaufelnasen
der Zwischenschaufel und der Vollschaufeln. Darüber hinaus wurde gefunden, daß dies
insbesondere dann gilt, wenn der Betriebspunkt der Turbomaschine von einem Auslegungsbetriebspunkt
abweicht. Durch die Zurückversetzung der Schaufelnase der Zwischenschaufel ergibt
sich somit ein vergrößerter Betriebsbereich des Gitters, in dem die Zwischenschaufel
angeordnet ist.
[0038] Die Zwischenschaufel 150 in Figur 3 ist mit einer geringen maximalen Profildicke
d' der Zwischenschaufel 150 ausgeführt. Diese maximale Profidicke d' entspricht hier
etwa 10% der maximalen Profildicke d der Vollschaufeln 130, 130'.
[0039] Darüber hinaus weist die Saugseite 152 der Zwischenschaufel 150 in der beispielhaften
Ausführung der Erfindung einen annähernd gleichen Verlauf der Profilkontur auf wie
die Saugseite 132 der Vollschaufel 130. Die Zuordnung der Profilkonturen erfolgt hierbei
über die axiale Position im Schaufelkanal 160. Speziell im Bereich nach dem engsten
Querschnitt (AB") des Schaufelkanals 160 entspricht der saugseitige Krümmungsradius
R' der Zwischenschaufel 150 hier dem saugseitigen Krümmungsradius R der Vollschaufel
130 in dem Bereich nach dem engsten Querschnitt (A'B') des Teilkanals zwischen der
Vollschaufel 130 und der Zwischenschaufel 150. Es wurde gefunden, daß die saugseitige
Profilierung der Zwischenschaufel 150 im Bereich nach dem engsten Querschnitt des
Schaufelkanals (AB") sowohl einerseits die Verluste der Fluidströmung, und hier insbesondere
die Profilverluste, in diesem Bereich als auch nachfolgend andererseits den Abströmwinkel
des Gitters entscheidend beeinflußt.
[0040] Der Verlauf der Profilkontur der Druckseite 151 der Zwischenschaufel 150 weicht somit
hier von dem Verlauf der Profilkontur der Druckseite der Vollschaufel 130 ab. Dies
ergibt sich zwangsläufig als Folge des annähernd gleichen Konturverlaufs des saugseitigen
Profils der Zwischenschaufel 150 und der Vollschaufel 130 bei geringerer maximaler
Profildicke d' der Zwischenschaufel 150 im Vergleich zur maximalen Profildicke d der
Vollschaufel 130.
[0041] Die Zwischenschaufel 150 in Figur 3 ist in dem Schaufelkanal 160 zwischen den Vollschaufeln
130, 130' so angeordnet, daß die Hinterkante 154 der Zwischenschaufel 150 in einer
Flucht mit den Hinterkanten B und B" der Vollschaufeln 130, 130' zu liegen kommt.
Die Fluidströmung wird somit im Bereich des Teilkanals 180 zwischen A" und B' beidseitig
geführt. Einerseits wird hierdurch die aerodynamische Belastung der Vollschaufeln
vermindert als auch andererseits der Punkt der höchsten aerodynamischen Belastung
des Schaufelprofils im Schaufelkanal 160 stromab verschoben. Weiterhin kommt es zu
einer Verringerung der Sekundärströmungsverluste und darüber hinaus zu einer Erhöhung
der Umlenkung der Primärströmung in dem Schaufelkanal 160.
[0042] Infolge der Verdrängungswirkung der Zwischenschaufel 150 kommt es in Figur 3 zu einer
Verminderung der Querschnittsfläche des engsten Querschnitts (AB") des Schaufelkanals
160. Diese Verminderung der Querschnittsfläche des engsten Querschnitts (AB") führt
zu einem Rückgang des Massendurchsatzes, insbesondere dann, wenn die Fluidströmung
im engsten Querschnitt des Schaufelkanals 160 Schallgeschwindigkeit erreicht.
[0043] In der in Figur 4 dargestellten Anordnung der Zwischenschaufel 250 ist die Hinterkante
254 vorteilhaft in Strömungsrichtung betrachtet stromauf vor den engsten Querschnitt
(AB") des Schaufelkanals 260 versetzt. Hierdurch wird der engste Querschnitt (AB")
des Schaufelkanals 260 nicht vermindert. Der Bereich der Hinterkante 254 der Zwischenschaufel
250 ist in Figur 5 vergrößert dargestellt. Die Vorversetzung q
x der Hinterkante 254 beträgt hier etwa 110% des Abstandes q
1. Der Abstand q
1 ist als Abstand zwischen der nicht versetzten, mit den Hinterkanten B und B" der
Vollschaufeln fluchtend angeordneten Hinterkante B' der Zwischenschaufel 250 und dem
engsten Querschnitt (AB") des Schaufelkanals definiert. Sowohl der Abstand q
1 als auch q
x sind jeweils lotrecht zum engsten Querschnitt (AB") des Schaufelkanals zu messen.
Zur Ermittlung des Abstandes dient die mit ∞ bezeichnete Hilfsgerade durch den Punkt
B', die parallel zum engsten Querschnitt (AB'') angetragen ist.
[0044] Sowohl fertigungstechnisch als auch unter dem Aspekt der Herstellungskosten ist es
besonders günstig, die Zwischenschaufel einteilig mit der Seitenwand auszuführen.
Dies läßt sich beispielsweise durch Gießen oder auch spanende Herstellung realisieren.
Die Seitenwände der beschaufelten Strömungskanäle in Turbomaschinen ergeben sich häufig
durch eine Aneinanderreihung rhombenförmiger Plattformen. Diese Plattformen sind oftmals
einteilig mit den Vollschaufeln ausgeführt. Figur 6 zeigt eine derartige Anordnung
zweier Plattformen 326 und 327. Die aneinandergereihten Plattformen 326, 327 bilden
hier eine Seitenwand des Schaufelkanals 360. Die Trennfuge 328 zwischen den Plattformen
326 und 327 ist in der in Figur 6 dargestellten Ausführung mittig im Schaufelkanal
360 angeordnet. Die Zwischenschaufel 350 ist hier ebenfalls näherungsweise mittig
im Schaufelkanal 360 positioniert. Somit ergibt sich in der dargestellten Ausführung
eine anteilige Anordnung der Zwischenschaufel 350 auf beiden Plattformen 326, 327.
Die Zwischenschaufel 350 ist hier vorteilhaft in Segmente 357, 358, 359 unterteilt,
wobei die Segmente aufder jeweils entsprechenden Plattform 326, 327 angeordnet sind.
Auch hier ist es wiederum von Vorteil, jedes Segment zusammen mit der jeweiligen Plattform
einteilig auszuführen.
[0045] Figur 7 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der die Zwischenschaufel 450 in
einer T-Nut 499 an der Seitenwand 422 angeordnet ist. Diese Anordnung ist insbesondere
dann zweckmäßig, wenn die strömungsbegrenzende Seitenwand und die Zwischenschaufel
als getrennte Teile gefertigt wurden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Zwischenschaufel
in zumindest einer Nut geführt an der Seitenwand anzuordnen.
Bezugszeichenliste
[0046]
- 10
- Primärströmung
- 11, 11', 11''
- Sekundärströmung
- 12, 112, 312
- Anströmung des Gitters oder des Schaufelkanals
- 120
- Strömungskanal
- 121
- Mittelpunkt des Strömungskanals
- 122, 422
- innere (nabenseitig) strömungsbegrenzende Seitenwand
- 123
- äußere (gehäuseseitig) strömungsbegrenzende Seitenwand
- 124
- Mittelachse einer Vollschaufel
- 125
- Mittelachse einer Zwischenschaufel
- 326
- erste Plattform
- 327
- zweite Plattform
- 328
- Trennfuge zwischen zwei Plattformen
- 30, 130, 230, 330
- erste den Schaufelkanal bildende Vollschaufel
- 32, 132, 232
- Saugseite der ersten Vollschaufel
- 133
- Schaufelnase der ersten Vollschaufel
- 30', 130', 230', 330'
- zweite den Schaufelkanal bildende Vollschaufel
- 31', 131', 231'
- Druckseite der zweiten Vollschaufel
- 133'
- Schaufelnase der zweiten
- 150, 250, 350, 450
- Zwischenschaufel an der nabenseitig strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 151
- Druckseite der Zwischenschaufel
- 152
- Saugseite der Zwischenschaufel
- 153
- Schaufelnase der Zwischenschaufel
- 154, 254
- Hinterkante der Zwischenschaufel
- 155
- Zwischenschaufel an der gehäuseseitig strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 357, 358, 359
- Segmente der Zwischenschaufel
- 60, 160, 260, 360
- Schaufelkanal
- 65, 165, 265
- engster Querschnitt des Schaufelkanals
- 170
- erster, durch die Anordnung der Zwischenschaufel gebildeter Teilkanal an der gehäuseseitig
strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 171
- zweiter, durch die Anordnung der Zwischenschaufel gebildeter Teilkanal an der gehäuseseitig
strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 180, 280
- erster, durch die Anordnung der Zwischenschaufel gebildeter Teilkanal an der nabenseitig
strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 181, 281
- zweiter, durch die Anordnung der Zwischenschaufel gebildeter Teilkanal an der nabenseitig
strömungsbegrenzenden Seitenwand
- 185, 185
- engster Querschnitt des Teilkanals
- 90, 190, 290, 390
- axiale Richtung
- 91, 191, 291, 391
- Umfangs- oder Längsrichtung
- 195
- Verbindungslinie der Schaufelnasen der Vollschaufeln (Front-Linie des Gitters)
- 196, 296
- Verbindungslinie der Hinterkanten der Vollschaufeln
- 499
- Nut in der Seitenwand
- A
- Schnittpunkt oder Schnittlinie des engsten Querschnitts des Schaufelkanals mit der
Profilkontur der Vollschaufel, bei der deren Saugseite dem Schaufelkanal zugewandt
ist
- A'
- Schnittpunkt oder Schnittlinie des engsten Querschnitts des Teilkanals, der an die
Saugseite der einen Vollschaufel angrenzt, mit der Profil-kontur der Vollschaufel,
bei der deren Saugseite dem Schaufelkanal zugewandt ist, wobei die Hinterkante der
Zwischenschaufel fluchtend mit den Hinterkanten der Vollschaufeln angeordnet ist
- A"
- Schnittpunkt des engsten Querschnitts des Schaufelkanals mit der Mittellinie (Skelettlinie)
der Zwischenschaufel
- B
- Hinterkante der ersten Vollschaufel
- B'
- Hinterkante der Zwischenschaufel in fluchtender Anordnung mit den Hinterkanten der
Vollschaufeln
- B''
- Hinterkante der zweiten Vollschaufel
- d
- maximale Profildicke der Vollschaufel
- d'
- maximale Profildicke der Zwischenschaufel
- H
- Höhe der Vollschaufel
- h
- Höhe der Zwischenschaufel
- q1
- senkrecht gemessener Abstand zwischen B' und dem engsten Querschnitt des Schaufelkanals
- qx
- senkrecht gemessener Abstand der Hinterkante (254) der Zwischenschaufel zu B'
- R
- Krümmungsradius der Vollschaufel
- R'
- Krümmungsradius der Zwischenschaufel
- s
- Sehnenlänge der Vollschaufel
- T
- axiale Sehnenlänge der Vollschaufel
- V
- axiale Versetzung der Schaufelnase der Zwischenschaufel
- ∞
- Hilfslinie durch den Punkt B', die parallel zum engsten Querschnitt des Schaufelkanals
angeordnet ist
1. Turbomaschine mit nabenseitig und gehäuseseitig strömungsbegrenzender Seitenwand (122,
123) dadurch gekennzeichnet, daß zumindest an einer strömungsbegrenzenden Seitenwand
(122, 123) zwischen zwei Vollschaufeln (130, 130') zumindest eine Zwischenschaufel
(150, 155) angeordnet ist.
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, bei der die Höhe h der Zwischenschaufel (150, 155)
zwischen etwa 3% und etwa 10% der Höhe H einer Vollschaufel (130, 130'), in Abhängigkeit
des Schaufelhöhenverhältnisses H/s der Vollschaufel bevorzugt etwa 3% bei großem Schaufelhöhenverhältnis
der Vollschaufel und etwa 10% bei kleinem Schaufelhöhenverhältnis der Vollschaufel,
beträgt.
3. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schaufelnase (153)
der Zwischenschaufel (150) gegenüber den Schaufelnasen (133, 133') der Vollschaufeln
(130, 130') stromab versetzt ist, wobei die Versetzung V zwischen 3% und 10% der axialen
Sehnenlänge T einer Vollschaufel (130, 130'), bevorzugt etwa 5% der axialen Sehnenlänge
T einer Vollschaufel, beträgt.
4. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Hinterkante (254)
der Zwischenschaufel (250) gegenüber den Hinterkanten (B, B") der Vollschaufeln (230,
230') stromauf versetzt ist, wobei die Versetzung (qx) der Hinterkante (254) der Zwischenschaufel (250) bevorzugt zwischen 0% und 120%
des Abstandes (q1) zwischen der nicht versetzt angeordneten Hinterkante (B') der Zwischenschaufel (250)
und dem engsten Querschnitt (AB") des Schaufelkanals (260) beträgt.
5. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der engste Querschnitt
(A'B') und der Querschnitt (AA") zwischen der Vollschaufel (130) und der Zwischenschaufel
(150) bevorzugt zwischen 40% und 60% des engsten Querschnittes (AB") des Schaufelkanals
(160) zwischen den Vollschaufeln (130, 130') beträgt.
6. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Saugseite (152) der
Zwischenschaufel (150) eine annähernd gleiche oder gleiche Profilierung aufweist wie
die Saugseite (132) der Vollschaufel (130).
7. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Krümmungsradius (R')
der Saugseite (152) der Zwischenschaufel (150) im Bereich nach dem engsten Querschnitt
(AB") des Schaufelkanals (160), somit im Bereich zwischen A" und B', zwischen 90%
und 110% des saugseitigen Krümmungsradius (R) der Vollschaufel (130) im Bereich nach
dem engsten Querschnitt (A'B') zwischen der Vollschaufel (130) und der Zwischenschaufel
(150), somit im Bereich zwischen A' und B, beträgt.
8. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die maximale Profildicke
(d') der Zwischenschaufel (150) zwischen etwa 2% und etwa 10% der maximalen Profildicke
(d) einer Vollschaufel (130, 130'), in Abhängigkeit des Schaufeldickenverhältnisses
d/s der Vollschaufeln (130, 130') bevorzugt etwa 2% bei großem Schaufeldickenverhältnis
der Vollschaufel und etwa 10% bei kleinem Schaufeldickenverhältnis der Vollschaufel,
beträgt.
9. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Zwischenschaufel
(350) in Segmente (357, 358, 359) unterteilt ist.
10. Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Zwischenschaufel
oder zumindest ein Segment der Zwischenschaufel zusammen mit der Seitenwand einteilig
ausgeführt ist.
11. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zur Befestigung der Zwischenschaufel
(450) oder zumindest eines Segmentes der Zwischenschaufel in der Seitenwand (422)
zumindest eine Nut (499) angeordnet ist.