DE102006048933A1

DE102006048933A1 - Anordnung zur Strömungsbeeinflussung

Info

Publication number: DE102006048933A1
Application number: DE200610048933
Authority: DE
Inventors: Karl Dr. Engel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-24
Also published as: WO2008046389A1

Abstract

Anordnung zur Strömungsbeeinflussung im Bereich von beschaufelten Strömungskanalabschnitten von Turbomaschinen mittels grenzschichtbeeinflussender Geometrien, wobei als Lauf- und/oder als Leitschaufeln ausgeführte Schaufeln sich zwischen einer inneren und einer äußeren Kanalwand erstrecken und die innere Kanalwand als statische Wand oder als rotierende Nabe, die äußere Kanalwand als statische Wand ausgeführt ist. Die grenzschichtbeeinflussenden Geometrien sind stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb des unmittelbar zu beeinflussenden, beschaufelten Strömungskanalabschnitts an der inneren und/oder der äußeren Kanalwand angeordnet und als Vortexgeneratoren und/oder als Oberflächenstrukturen ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strömungsbeeinflussung im Bereich von beschaufelten Strömungskanalabschnitten von Turbomaschinen mittels grenzschichtbeeinflussender Geometrien, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die sich infolge der so genannten Haftbedingung in der Regel an überströmten Oberflächen ausbildende Grenzschicht hat häufig negative Auswirkungen auf die Strömungsverhältnisse. So führt eine starke Aufdickung der Grenzschicht u. a. zu einer Reduzierung des effektiven Strömungsquerschnitts, speziell in engen Schaufelgittern. Eine Grenzschichtablösung kann zu großen Problemen bzw. Gefahren für die betroffenen Bauteile und Komponenten führen und den Betriebsbereich z.B. eines Verdichters einschränken. Daher wird seit langem versucht, die Grenzschicht zu beeinflussen. Mit feinen Oberflächenstrukturen, Stichwort: Haifischhaut, bis herunter in den Nanobereich wird versucht, das Haften des Strömungsfluids an der Festkörperoberfläche zu reduzieren, so dass letztlich eine kleinere relevante Grenzschicht entstehen soll. Stromaufwärts von ablösegefährdeten Oberflächenbereichen kann man eine Grenzschichtabsaugung durchführen, um zumindest die Grenzschichtdicke zu reduzieren. Mit wirbelerzeugenden Elementen, so genannten Vortexgeneratoren, wird versucht, das energiearme Fluid in der Grenzschicht zu energetisieren, um deren Strömungskomponente in Sollrichtung zu vergrößern.
Die Rezirkulation und Energetisierung von energiearmem Fluid im Spitzen- und Spaltbereich von Laufschaufeln ist das Ziel von so genannten Casing Treatments, welche auch als Rezirkulationsstrukturen bezeichnet werden. Ein solches Casing Treatment ist beispielsweise aus der EP 1 530 670 B1 bekannt und wird primär in Verdichtern zur Erhöhung der so genannten Pumpgrenze benutzt.
In Schaufelgittern, wie z.B. in Lauf- und Leitschaufelkränzen, treten so genannte Sekundärströmungen infolge von lokalen Druckunterschieden auf. Das Strömungsmittel hat die Tendenz, von der Druckseite einer Schaufel zur Saugseite der benachbarten Schaufel zu strömen. Dieser Effekt tritt am inneren und äußeren Schaufelende auf, jeweils mit Umlenkung der Strömung am Übergang Schaufel/Kanalwand. Da die Sekundärströmungen eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweisen, führen auch diese zu Verlusten und sind unerwünscht. Da Sekundärströmungen und Grenzschichten sich gegenseitig beeinflus sen, wird auch versucht, über eine Energetisierung der Grenzschicht oder eine Reduzierung der Grenzschicht die Sekundärströmung durch Umlenkung in Hauptströmungsrichtung zu energetisieren und dadurch Verluste zu reduzieren. Da die Sekundärströmung beim Auftreffen auf die Saugseite der benachbarten Schaufel im kanalwandnahen Bereich die Tendenz zur Strömungsablösung erhöht, kann letztlich über eine Beeinflussung der kanalwandseitigen Grenzschicht die Schaufelströmung verbessert und stabilisiert werden.
Aus der EP 0 976 928 B1 ist bekannt, mittels hilfsflügelartiger Vortexgeneratoren im Übergangsbereich Schaufel/Kanalwand der Sekundärströmung, hier Eckenströmung genannt, entgegen zu wirken. Die Vortexgeneratoren/Hilfsflügel können an der Schaufel und/oder an der Kanalwand angeordnet sein. In jedem Fall befinden sich die Vortexgeneratoren im beschaufelten Bereich axial zwischen den Ebenen der Schaufeleintritts- und Schaufelaustrittskariten und dort im Bereich der Eckenströmung, d. h. am Übergang Schaufel/Kanalwand.
Aus der US 4,023,350 ist es bekannt, im Austrittsbereich einer Niederdruckturbine die Sekundärströmung zwischen leitschaufelartigen Streben durch an der Kanalwand zwischen den Streben angeordnete Vortexgeneratoren zu reduzieren. Das wird hier durch Energetisierung der Grenzschicht an der Kanalwand erreicht, wie bereits oben erläutert.
Ausgehend von diesen bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anordnung zur Strömungsbeeinflussung im Bereich von beschaufelten Strömungskanalabschnitten von Turbomaschinen mittels grenzschichtbeeinflussender Geometrien vorzuschlagen, welche sich durch eine höhere Effizienz und somit eine weitere Verbesserung der Strömungsverhältnisse auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Dabei sind die grenzschichtbeeinflussenden Geometrien stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb des unmittelbar zu beeinflussenden, beschaufelten Strömungskanalabschnitts an wenigstens einer Kanalwand angeordnet und wahlweise als grenzschichtenergetisierende Vortexgeneratoren und/oder als grenzschichtreduzierende Oberflächenstrukturen ausgeführt. Durch die Anordnung der Geometrien stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb der Beschaufelung wird eine ausreichende Lauflänge für die Energetisierung bzw. Reduzierung der Grenzschicht erreicht, welche bei einer Anordnung der Geometrien zwischen oder an den Schaufeln nicht möglich ist. Die Anordnung an der Kanalwand hat außerdem die Vorteile, dass die Schaufeln selbst strömungstechnisch und konstruktiv nicht verändert werden müssen. Die Verwendbarkeit grenzschichtenergetisierender und/oder grenzschichtreduzierender Geometrien erweitert die Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Strömungsverhältnisse.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination der Anordnung mit einem so genannten Casing Treatment, d. h. mit einer Rezirkulationsstruktur zur Reduzierung der Pumpgefahr in einem Verdichter.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
1 einen Teillängsschnitt durch einen Verdichter in Axialbauart mit einem Casing Treatment, und
2 eine Ansicht zweier benachbarter Schaufeln in etwa radialer Blickrichtung.
Der in Axialbauart ausgeführte Verdichter 1 gemäß 1 weist zur Erhöhung seiner Pumpgrenze ein Casing Treatment 2, d. h. eine die Strömung im Spitzen- und Spaltbereich der Laufschaufel 5 eines Laufschaufelkranzes 10 in Hauptströmungsrichtung energetisierende Rezirkulationsstruktur, auf. Die Durchströmung des dargestellten Verdichters 1 erfolgt von links nach rechts, so dass der Laufschaufelkranz 10 zusammen mit einem Leitschaufelkranz 12 die erste, stromaufwärtige Verdichterstufe bildet. Die Längsmittelachse 13 des Verdichters 1 ist mit der Rotationsachse der Laufschaufelkränze 10 und 11 identisch. Die Laufschaufeln 5, 6 und die Leitschaufeln 7 sind in einem im Querschnitt ringförmigen Strömungskanal zwischen einer inneren Kanalwand 3 und einer äußeren Kanalwand 4 angeordnet. Der Strömungsquerschnitt zwischen den Kanalwänden 3, 4 verjüngt sich mit zunehmendem Strömungsmitteldruck, d. h. in Strömungsrichtung. Die innere Kanalwand 3 ist im Bereich der Laufschaufelkränze 10, 11 als rotierende Nabe, im Bereich des Leitschaufelkranzes 12 als statische Wand, z.B. als inneres Schaufeldeckband, ausgeführt.
Das Casing Treatment 2 bewirkt, dass sich der Strömungsmitteldurchsatz, hier konkret der Luftdurchsatz, im Bereich der Spitzen der Laufschaufeln 5 und somit im Bereich nahe der äußeren Kanalwand 4 erhöht. Da dies durch eine Reduzierung verlusterzeugender Strömungsanteile – mit Komponenten in Umfangrichtung bzw. quer zu den Schaufelprofilen – erreicht wird, spricht man strömungstechnisch von einer Entlastung des radial äußeren Strö mungskanalbereichs. De facto lenkt die Wirkung des Casing Treatments 2 die Strömung mehr in den äußeren Kanalbereich, wodurch aber gleichzeitig der Durchsatz im Bereich der inneren Kanalwand 3 sinkt. Dies führt in stromabwärts liegenden Schaufelkränzen, hier zunächst im Leitschaufelkranz 12 und ggf. auch im Laufschaufelkranz 11, im Bereich der inneren Kanalwand 3 zu einer Zunahme des Einflusses verlusterzeugender Sekundärströmungen. Dabei spricht man strömungstechnisch von einer Überlastung des radial inneren Kanal- bzw. Schaufelbereichs. Die Sekundärströmungen können an den Schaufeln im kanalwandnahen Bereich zu einer Strömungsablösung/einem Strömungsabriss führen, insbesondere im stromabwärtigen Teil der Schaufelsaugseite. Man spricht dabei von Corner-Stall. In 1 an den Leitschaufeln 7 und den Laufschaufeln 6 ist die Erstreckung des Corner-Stall tendenziell mit gestrichelten Linien 17, 18 angedeutet. Dabei erstreckt sich die Strömungsablösung etwa von der inneren Kanalwand 3 bis zur Linie 17, 18 auf der Schaufeloberfläche.
Als Abhilfemaßnahme sind stromaufwärts der Schaufeln grenzschichtbeeinflussende Geometrien angeordnet, hier in Form von Vortexgeneratoren 14, 15. Diese erzeugen Wirbelschleppen, welche die Grenzschicht an der Kanalwand 3 energetisieren. Dadurch erhöht sich wandnah die Strömungskomponente in Hauptströmungsrichtung, d. h. in Sollrichtung, wodurch auch die Sekundärströmung mehr in Sollrichtung umgelenkt wird. Dadurch lässt sich der Corner-Stall 17, 18 an den Leit- und Laufschaufeln 7, 6 reduzieren bzw. völlig beseitigen. Bekanntermaßen kann starker Corner-Stall ein Pumpen des Verdichters 1 auslösen, verbunden mit starken Durchsatzschwankungen und mechanischen Belastungen. Im Extremfall kann der Verdichter mechanisch zerstört werden, oder der Durchsatz auf "Null" sinken, letzteres beim so genannten Verdichter-Stall. In beiden Fällen ist – zumindest zeitweise – ein Triebwerksausfall die Folge.
2 zeigt in einer anderen, etwa radialen Ansicht die unterschiedlichen Strömungsverhältnisse an zwei benachbarten Schaufeln 8, 9 ohne und mit grenzschichtbeeinflussenden Geometrien. Maßgeblich ist dabei der Verlauf der Sekundärströmung, welche sich druckdifferenzgetrieben von der Druckseite einer Schaufel 8 kanalwandnah zur Saugseite einer benachbarten Schaufel 9 bewegt. Je nach dem Grad der strömungstechnischen Belastung bzw. Überlastung verlaufen die Stromlinien in unterschiedlichen Winkeln zu den Schaufelprofilen. Die in 2 gestrichelt wiedergegebenen Stromlinien 22 bis 24 der Sekundärströmung sollen für den Fall strömungstechnischer Überlastung gelten. Die Stromlinien 22 bis 24 verlaufen vorwiegend quer zur Schaufel 8, so dass sie in einem stromabwärtigen Bereich auf die Saugseite der Schaufel 9 treffen. Da gerade dieser Bereich besonders zur Strömungsablösung tendiert, kann es dort zu Corner-Stall kommen. Der Bereich 25 des Corner-Stall ist in
2 mit einer Ellipse angedeutet, wobei im Grunde nur der erfasste Flächenbereich auf der Saugseite der Schaufel 9 gemeint ist.
Als Abhilfemaßnahme ist hier eine grenzschichtreduzierende Oberflächenstruktur 16 vorgesehen, wofür sich beispielsweise eine so genannte Haifischhaut bzw. definierte Nanostrukturen eignen. Dem Fachmann sind geeignete Geometrien bekannt oder zumindest zugänglich. Die Oberflächenstruktur 16 ist so positioniert und dimensioniert, dass ihr strömungstechnischer Einfluss den kanalwandnahen Zwischenraum der Schaufeln 8, 9 flächig erfasst, um die Grenzschicht auf der Kanalwand zu reduzieren. Dies hat zur Folge, dass die von der Grenzschicht beeinflusste Sekundärströmung eine stärkere Komponente in Hauptströmungsrichtung erhält. In 2 geben die durchgezogenen Stromlinien 19 bis 21 diesen entlasteten Zustand wieder. Man erkennt, dass die Stromlinien 19 bis 21 nicht mehr überwiegend auf die Schaufel 9 treffen sondern großteils stromabwärts daran vorbei verlaufen. Somit ist die Schaufel 9 erheblich weniger Corner-Stall-gefährdet.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, energetisierende Vortexgeneratoren bzw. grenzschichtreduzierende Oberflächenstrukturen jeweils ausschließlich oder in Kombination zu verwenden. Zur Optimierung werden mit Sicherheit auch Versuche beitragen können. Es kann genügen, in einer Turbomaschine nur eine erfindungsgemäße Anordnung stromaufwärts eines Schaufelkranzes vorzusehen, z.B. vor einem Leitschaufelkranz hinter einem Laufschaufelkranz mit Casing Treatment. Falls eine ausreichende Strömungsentlastung damit noch nicht erzielt wird, können auch mehrere Anordnungen über den Strömungskanal verteilt werden. Insbesondere bei den grenzschichtreduzierenden Oberflächenstrukturen kann es vorteilhaft sein, diese von einer Axialposition stromaufwärts des zu beeinflussenden, beschaufelten Strömungskanalabschnitts bis in den letzteren hinein, d.h. zwischen die Schaufeln, durchgehend anzuordnen.

1: Verdichter
2: Casing Treatment
3: Kanalwand, innere
4: Kanalwand, äußere
5: Laufschaufel
6: Laufschaufel
7: Leitschaufel
8: Schaufel
9: Schaufel
10: Laufschaufelkranz
11: Laufschaufelkranz
12: Leitschaufelkranz
13: Längsmittelachse
14: Vortexgenerator
14: Vortexgenerator
16: Oberflächenstruktur
17: Corner-Stall
18: Corner-Stall
19: Stromlinie
20: Stromlinie
21: Stromlinie
22: Stromlinie
23: Stromlinie
24: Stromlinie
25: Bereich des Corner-Stalls

Claims

Anordnung zur Strömungsbeeinflussung im Bereich von beschaufelten Strömungskanalabschnitten von Turbomaschinen, insbesondere von Verdichtern in Axialbauart, mittels grenzschichtbeeinflussender Geometrien, z.B. so genannter Vortexgeneratoren, wobei als Lauf- und/oder als Leitschaufeln ausgeführte Schaufeln sich zwischen einer inneren Kanalwand und einer äußeren Kanalwand erstrecken, und die innere Kanalwand als statische Wand oder als rotierende Nabe, die äußere Kanalwand als statische Wand ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die grenzschichtbeeinflussenden Geometrien stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb des unmittelbar zu beeinflussenden, beschaufelten Strömungskanalabschnitts an der inneren (3) und/oder der äußeren Kanalwand (4) angeordnet und als separate, gegenseitig beabstandete Vortexgeneratoren (14, 15) und/oder als Oberflächenstrukturen (16) ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grenzschichtbeeinflussenden Geometrien als leitschaufelartige, flügelartige, insbesondere deltaförmige, und/oder stufenartige Vortexgeneratoren (14, 15) und/oder als geometrisch definierte Oberflächenstrukturen (16), insbesondere als so genannte Haifischhaut oder als Nanostrukturen, ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 in einem mehrstufigen Verdichter in Axialbauart mit wenigstens einer den Verdichter strömungstechnisch stabilisierenden Rezirkulationsstruktur, einem so genannten Casing Treatment, dadurch gekennzeichnet, dass grenzschichtbeeinflussende Geometrien (14) stromabwärts eines mit dem Casing Treatment (2) unmittelbar zusammenwirkenden Laufschaufelkranzes (10) und dabei stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb eines auf den Laufschaufelkranz (10) folgenden Leitschaufelkranzes (12) zumindest an der inneren Kanalwand (3) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass grenzschichtbeeinflussende Geometrien (15) stromabwärts des Leitschaufelkranzes (12) und dabei stromaufwärts oder stromaufwärts und innerhalb eines weiteren Laufschaufelkranzes (11) zumindest an der inneren Kanalwand (3) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die grenzschichtbeeinflussenden Geometrien (14, 15, 16) relativ zur Beschaufelung so angeordnet sind, dass die von den Geometrien (14, 15, 16) ausgehende, modifizierte Strömung überwiegend in die Zwischenräume der unmittelbar stromabwärts folgenden Schaufeln (6, 7, 8, 9) gelenkt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit grenzschichtbeeinflussenden Geometrien in Form von Vortexgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Vortexgeneratoren (14, 15) senkrecht zu der sie tragenden Kanalwand (3) so bemessen ist, dass die Vortexgeneratoren (14, 15) geringfügig aus der örtlichen Grenzschicht hervorstehen.