DE2135287A1

DE2135287A1 - RUNNER AND GUIDE WHEEL GRILLE FOR TURBO MACHINERY

Info

Publication number: DE2135287A1
Application number: DE19712135287
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Prof Dr Ing Dettmering; Heinz Dipl Ing Pruemper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-15
Filing date: 1971-07-15
Publication date: 1973-01-25

Description

Lauf- und Leitradgitter für Turbomaschinen Die Erfindung betrifft ein Lauf- und Leitradgitter für Turbomaschinen, bei denen auf den kanalbegrenzenden Wänden als Grenzschichtzäune dienende Leitelemente zur Verhinderung der Sekundärströmung angebracht sind.Runner and stator grids for turbo machines The invention relates an impeller and guide wheel grille for turbo machines, where on the channel limiting Guiding elements that serve as boundary layer fences to prevent the secondary flow are appropriate.

Der Strömungsverlauf der wandnahen Fluidschichten in den Schaufelkanälen von Strömungsmaschinen wird bekanntlich maßgeblich vom Druckgradientenfeld der Primärströmung, vom Geschwindigkeitsgradienten der Grenzschicht der ankommenden Strömung und in Rotoren zusätzlich von den Fliehkräften bestimmt. Die Stromlinien der verzögerten wandnahen Schichten besitzen in der Nähe der Saugseite starke Radialkomponenten und sind an den Begrenzungswänden (Deckband, Nabe oder Gehäuse) oder im Spalt zwischen Schaufelende und Gehäuse (Nabe) quer zur Hauptströmung gerichtet.The flow path of the fluid layers close to the wall in the blade channels of fluid flow machines is known to be determined by the pressure gradient field of the primary flow, from the velocity gradient of the boundary layer of the incoming flow and in Rotors also determined by centrifugal forces. The streamlines of the delayed layers close to the wall have strong radial components near the suction side and are on the boundary walls (shroud, hub or housing) or in the gap between Blade end and housing (hub) directed transversely to the main flow.

Diese unerwünschten sekundären Fluidbewegungen, die kurz als Sekundärströmung bezeichnet werden, sind die Ursache großer zusätzlicher Verluste. In der Kontaktzone zwischen Primär- und Sekundär strömung werden die örtlichen Geschwindigkeiten und Richtungen der Primärströmung infolge der Sekundärbewegung mittels der auftretenden Zähigkeitskräfte stark verändert. Der Transport der Wandgrenzschichten der Zuströmung und der Wandgrenzschichten im Gitter zu den Profilsaugseiten führt in den Randzonen oft zur Ablösung der Strömung vom Profil. Diese Ablösungen können bei starker Umlenkung und bei kurzen Schaufeln die gesamte Kanalhöhe erfassen.These undesirable secondary fluid movements, briefly called secondary flow are the cause of large additional losses. In the contact zone between primary and secondary flow are the local velocities and Directions of the primary flow as a result of the secondary movement by means of the occurring Toughness forces changed greatly. The transport of the wall boundary layers of the inflow and the wall boundary layers in the grid lead to the profile suction sides in the edge zones often to detach the flow from the profile. These detachments can occur with strong deflection and record the entire height of the duct with short blades.

Zur Vermeidung dieser nachteiligen Erscheinungen ist bereits vorgeschlagen worden, auf den kanalbegrenzènden Wänden zwischen den Profilen ein oder mehrere Leitbleche oder dünne Profile einzubauen, deren Höhe etwa der vorhandenen Grenzschichtdicke entspricht und deren Ein- und Austrittswinkel mit den Gitterdaten in der Einbauzone übereinstimmen (OS 1 937 395). Umfangreiche Versuche haben jedoch gezeigt, daß die gewünschte Wirkung nur dann optimal erwartet werden kann, wenn die Leitelemente nicht auf den kanalbegrenzenden Wänden sondern in einem bestimmten Abstand von diesen auf den Schaufelprofilen selbst angeordnet sind. Dementsprechend lehrt die Erfindung, daß auf den Schaufelprofilen als Grenzschichtzäune dienende Leitelemente in der Weise angebracht werden, daß je ein Leitelement in der Nähe der kanalbegrenzenden Wände etwa im Abstand der zweifachen Dicke der Zuströmgrenzschicht auf den Schaufelprofilen angebracht ist. Eine besonders günstige Wirkung ist bei der Anwendung der Erfindung dann zu erwarten, wenn die Höhe der anzuwendenden Leitelemente etwa dem l,l-fachen Betrag der Dicke der örtlichen Grenzschichten entspricht. Die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung auf den Schaufelprofilen anzubringenden Leitelemente verhindern, daß die verzögernden wandnahen Fluidschichten der Zuströmung und der kanalbegrenzenden Wände zur Profilsaugseite fließen und vielmehr in Richtung der Primärströmung geführt und an der Kante des Leitelements durch Vermischen mit der Primärströmung zum Teil abgebaut werden. Die gewünschte Wirkung wird dadurch noch verstärkt, daß eine der Sekundärströmung entgegengerichtete Strömung erzeugt und dadurch eine Fernwirkung auf das auf die Saugseite zufließende Fluid ausgeübt wird, wenn der Abstand des Leitelements von der kanalbegrenzenden Wand am Gittereintritt größer als am Gitteraustritt ist. Die bekannten Randablösungen werden somit vermieden, die Verluste des Gitters herabgesetzt, die Umlenkung erhöht und die Zuströmungsbedingungen für das jeweils nachfolgende Gitter verbessert, was in diesem zu einer weiteren Verminderung der instationären Verluste führt.To avoid these adverse phenomena is already suggested one or more on the walls delimiting the duct between the profiles Install guide plates or thin profiles, the height of which corresponds to the existing boundary layer thickness and their entry and exit angles with the grid data in the installation zone match (OS 1 937 395). Extensive tests have shown, however, that the The desired effect can only be optimally expected if the guide elements not on the walls bordering the duct but at a certain distance from them are arranged on the blade profiles themselves. Accordingly, the invention teaches that on the blade profiles serving as boundary layer fences in the guiding elements Way to be attached that each a guide element in the vicinity of the channel delimiting Walls about twice the thickness of the inflow boundary layer on the blade profiles is appropriate. A particularly beneficial effect is when the invention is used to be expected when the height of the guide elements to be used is about 1.1 times The amount corresponds to the thickness of the local boundary layers. According to the doctrine of present invention to prevent guide elements to be attached to the blade profiles, that the retarding fluid layers close to the wall of the inflow and the channel-delimiting Walls to the profile suction side flow and rather guided in the direction of the primary flow and at the edge of the guide element by mixing with the primary flow in part be dismantled. The desired effect is enhanced by the fact that one of the Secondary flow creates a flow in the opposite direction and thus an effect at a distance is exerted on the fluid flowing to the suction side when the distance of the Guide element from the channel-delimiting wall at the grille entry larger than at the grille exit is. The known edge detachments are thus avoided, the losses of the grid reduced, the deflection increases and the inflow conditions improved for each subsequent grid, which in this one leads to a further Reduction of the transient losses leads.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem Gitter einer axialen Turbomaschine Fig. 2 eine Vorderansicht auf den Ausschnitt nach Fig. 1 Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Gitter einer axialen Turbomaschine in anderer Ausführungsform Fig. 4 eine Vorderansicht auf den Ausschnitt nach Fig. 3 Fig. 5 einen Gitterausschnitt in anderer Ausführungsform Fig. 6 eine Vorderansicht auf den Ausschnitt nach Fig. 5 Fig. 7 einen Meridianschnitt durch das Laufrad und den Leitapparat eines Radialverdichters Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Fig. 7 Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 7.Exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown in the drawing shown, namely Fig. 1 shows a section of the grid of an axial Turbomachine Fig. 2 a front view of the detail according to Fig. 1 Fig. 3 a Section from the grid of an axial turbomachine in a different embodiment FIG. 4 shows a front view of the detail according to FIG. 3; FIG. 5 shows a grid detail In another embodiment, FIG. 6 is a front view of the detail according to FIG. 5 Fig. 7 shows a meridional section through the impeller and the guide apparatus of a radial compressor 8 shows a section along the line VIII-VIII in FIG. 7; FIG. 9 shows a section the line IX-IX in FIG. 7.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Gitter einer Turbomaschine sind die Schaufeln 1 mit ihren Schaufelfüßen im Nabenring 2 angeordnet. Die Schaufelenden 3 tragen ein Deckband 4, das nach außen den Strömungskanal 5 zwischen je zwei Schaufeln 1 begrenzt. Im Abstand dl von der inneren Wand des Deckbandes 4 und im Abstand d2 von der Wand des Nabenringes 2 sind Leitelemente 6 bzw. 7 angebracht, die sich über den ganzen Profilumfang der Schaufeln 1 erstrecken. Dabei ist die Höhe H der Leitelemente 6 bzw. 7 etwas größer als die Dicke der örtlichen Grenzschicht, so daß die Kanten der Leitelemente 6, 7 noch in die schnelle Primärströmung eintauchen. Die Leitelemente 6,7 sind sehr dünn gehalten. Ihre Stärke b soll gerade so groß sein, wie sie sich aufgrund von Festigkeits- und Temperaturverhältnissen in der Einbauzone noch verwirklichen läßt.In the grid of a turbomachine shown in FIGS. 1 and 2 the blades 1 are arranged with their blade roots in the hub ring 2. The shovel ends 3 wear a shroud 4, which outwards the flow channel 5 between two blades 1 limited. At a distance dl from the inner wall of the shroud 4 and at a distance d2 of the Guide elements 6 and 7 are attached to the wall of the hub ring 2, which extend over the entire profile circumference of the blades 1. Here is the Height H of the guide elements 6 and 7 somewhat greater than the thickness of the local boundary layer, so that the edges of the guide elements 6, 7 are still immersed in the rapid primary flow. The guide elements 6, 7 are kept very thin. Your strength b should be just as great be how they are due to strength and temperature conditions in the The installation zone can still be realized.

Im allgemeinen beträgt sie zwischen 0,4 und 0,8 mm. Der Abstand dl bzw. d2 der Leitelemente 6 bzw. 7 von den kanalbegrenzenden Wänden entspricht etwa der zweifachen Dicke der Zuströmgrenzschicht. Am Gitteraustritt ist der Abstand da etwa-s kleiner als der Abstand dl bzw. d2 so daß sich zwischen Leitelement und kanalbegrenzender Wand ein konvergierender Strömungskanal ergibt. Vorzugsweise ist die An- und Abströmkante des Leitelements geschärft, wobei die Leitelemente 6, 7 und die Schaufeloberfläche 8, 9 möglichst scharfe bzw. rechtwinklige Edken bilden.In general, it is between 0.4 and 0.8 mm. The distance dl or d2 of the guide elements 6 and 7 of the channel-delimiting walls corresponds approximately twice the thickness of the inflow boundary layer. The distance is at the grid exit since about -s smaller than the distance dl or d2 so that between the guide element and channel-delimiting wall results in a converging flow channel. Preferably is the leading and trailing edges of the guide element are sharpened, the guide elements 6, 7 and the blade surface 8, 9 form edges that are as sharp as possible or at right angles.

Bei dem Turbomaschinengitter nach Fig. 3 und 4, bei dem.die Schaufeln 1 ebenfalls in einem Nabenring 2 befestigt sind und an ihren Enden ein Deckband 4 tragen, das den Strömungskanal 5 zwischen je zwei Schaufeln 1 begrenzt, ist auf jedem Schaufelprofil im Abstand dl bzw. d2 von der inneren und äußeren Begrenzungswand des Gitters je ein Leitelement 6,7 angebracht. Hierbei erstrecken sich die Leitelemente 6, 7 jedoch nur entlang den Saugseiten der Schaufeln 1, und es beginnt die geschärfte Anströmkante der Leitelemente 6, 7 erst ein Stück hinter dem Profilstaupunkt. Mit al ist der Abstand des Beginns der Leitelemente 6 bzw. 7 hinter dem Profilstaupunkt bezeichnet, wobei die Leitelemente 6, 7 erst nach einigen Millimetern Länge auf ihre vol.le lIöhe II ansteigen. Aucli endet die geschärfte Abströmkante der Leitelemente 6, 7 schon vor der Profilhinterkante, und zwar im Abstand a2 von dieser a2 beträgt hierbei vorzugsweise 10 bis 20 % der Schaufelbreite. Auch hier wird die Stärke b der Leitelemente so klein wie möglich gehalten, und es bilden die Leiteiemente 6, 7 mit der Schaufeloberfläche mbglichst scharfe, etwa rechtwinklige Ecken. Der Abstand der Leitelemente d von den kanalbegrenzenden Wänden der am Beginn des Leitelements etwa der zweifachen Dicke der Zuströmgrenzschicht entspricht, verringert sich etwas, so daß sich zwischen Leitelement und kanalbegrenzender Wand ein konvergierender Strömungskanal ergibt.In the turbomachine grille according to FIGS. 3 and 4, in which the blades 1 are also fastened in a hub ring 2 and a shroud at their ends 4 wear that delimits the flow channel 5 between two blades 1 is on each blade profile at a distance dl or d2 from the inner and outer boundary wall of the grating a guide element 6.7 is attached. The guide elements extend here 6, 7, however, only along the suction sides of the blades 1, and the sharpened one begins The leading edge of the guide elements 6, 7 only a little behind the profile dew point. With al is the distance from the beginning of the guide elements 6 and 7 behind the profile dew point referred to, the guide elements 6, 7 only after a few millimeters in length their full level II increase. Aucli ends the sharpened trailing edge of the guide elements 6, 7 already in front of the trailing edge of the profile, at a distance a2 from this a2 preferably 10 to 20% of the blade width. Here, too, the strength b the guide elements are kept as small as possible, and the guide elements 6 form, 7 with the blade surface as sharp as possible, approximately right-angled corners. The distance of the guide elements d from the channel-delimiting walls at the beginning of the guide element corresponds to about twice the thickness of the inflow boundary layer, it decreases somewhat, so that between the guide element and the channel-delimiting wall there is a converging Flow channel results.

Bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform beginnen die Anströmkanten der Leitelemente 6, 7 ebenfalls erst in einem Abstand a vom Schaufelstaupunkt, der zwischen 5 und 25 % der Schaufelbreite betragen kann. Besonders vorteilhaft kann es sein, in den Leitelementen längs ihrer Erstreckung über die Saugseite des Schaufelprofils eine oder mehrere Durchbrechungen vorzusehen.In the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the begin Leading edges of the guide elements 6, 7 also only at a distance a from the blade stagnation point, which can be between 5 and 25% of the blade width. Particularly beneficial it may be in the guide elements along their extension over the suction side of the Provide blade profile one or more openings.

Dadurch kann die Entstehung stabiler Wirbel unterdrückt werden.This can suppress the formation of stable eddies.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. impeller and stator grille for turbo machinery with serving as a boundary layer fence guide elements to prevent the secondary flow, characterized in that A guide element is attached to each of the shovel profiles in the vicinity of the channel-delimiting walls, the height of which corresponds to about 1.1 times the local boundary layer thickness.

2. impeller and stator grille for turbo machines according to claim 1, characterized characterized in that the guide elements at a distance from the channel-delimiting Walls are arranged, which corresponds to about twenty times the thickness of the inflow boundary layer.

3. impeller and stator grille for turbo machines according to one of the claims l or 2, characterized in that the guide elements only on the profile suction sides are arranged.

4. impeller and stator grille for turbo machinery according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the distance between the guide elements and the channel-delimiting Wall at the grid entry is larger than at the grid exit, so that between the guide element and the channel-delimiting wall results in a converging channel.

5. Impeller and guide wheel grids for turbo machines according to one of the previous ones Claims, characterized in that the guide elements extend over only a part the suction side extend

6. Impeller and guide wheel grids for turbo machines according to one of the preceding claims, characterized in that the on and Trailing edges of the guide elements are sharpened and that the leading edge only after a few millimeters in length increases to its full height.

7. Impeller and guide wheel grids for turbo machines according to one of the preceding Claims, characterized in that the support elements along their extension have one or more openings on the suction side of the blade profile.