EP0978633A1

EP0978633A1 - Turbomachine blade

Info

Publication number: EP0978633A1
Application number: EP98810758A
Authority: EP
Inventors: Said Dr. Havakechian; Ralf Dr. Greim
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1998-08-07
Publication date: 2000-02-09

Abstract

The turbine machine blade helps to reduce flow losses when a secondary fluid (11) flows into a primary fluid (10). The secondary fluid comes out in a part region of the turbine wheel upstream of it into the flow channel. At least one blade of the rotor or stator has at least one blade profile web (140) fitted to it. It can be fitted at an angle to the side wall (24).

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Reduzierung der Strömungsverluste in beschaufelten Strömungskanälen von Turbomaschinen, insbesondere in Gas- und Dampfturbinen.The invention relates to devices for reducing the flow losses in bladed Flow channels of turbomachinery, in particular in gas and steam turbines.

Stand der TechnikState of the art

Turbomaschinen werden üblicherweise von einem Primärfluid als Arbeitsfluid durchströmt. Das Primärfluid strömt hierbei in einem Strömungskanal geführt durch die Turbomaschine. In diesem Strömungskanal ist darüber hinaus auch die Beschaufelung der Turbomaschine angeordnet. Die Beschaufelung einer Turbomaschine besteht in der Regel aus einer Anordnung ruhender und bewegter Schaufelgitter. Zwischen diesen Schaufelgittern verbleibt aus funktionalen Gründen oftmals ein Spalt. Insbesondere im Turbinenbereich einer Gasturbine liegt in diesem Spalt häufig ein Sekundärfluid an. Weist das Sekundärfluid hierbei einen höheren Druck auf als das Primärfluid, so bildet sich eine Strömung des Sekundärfluides aus dem Spalt in die Strömung des Primärfluides aus. Diese Sekundärfluidströmung wird insbesondere in Turbinen häufig zum fluiddynamischen Abdichten der Spalte eingesetzt. Infolge des Mischungsvorgangs zwischen dem Primärfluid und dem Sekundärfluid kommt es zu hohen Strömungsverlusten der Primärströmung der Turbomaschine.
Insbesondere in Turbinen tritt häufig eine weitere Spaltströmung zwischen einer bewegten und einer ruhenden Gitterreihe dann auf, wenn die bewegte Gitterreihe mit einem Deckband ausgeführt ist. Zwischen dem umlaufenden Deckband und dem feststehenden Gehäuse verbleibt in der Regel ein Spalt. Aufgrund des Druckgefälles in dem Rotor kommt es in diesem Spalt zu einem Überströmen des Deckbandes mit einem nachfolgenden Wiedereintritt des überströmenden Fluides in die Primärströmung. Dieses, das Deckband überströmende Fluid wird im Folgenden ebenfalls als Sekundärfluid bezeichnet. Diese Spaltströmung führt ebenso zu hohen Strömungsverlusten der Primärströmung der Turbomaschine. Turbomachines are usually flowed through by a primary fluid as the working fluid. The primary fluid flows in a flow channel through the turbomachine. The blades of the turbomachine are also arranged in this flow channel. The blading of a turbomachine usually consists of an arrangement of stationary and moving blade grids. For functional reasons, there is often a gap between these vane grids. A secondary fluid is often present in this gap, particularly in the turbine region of a gas turbine. If the secondary fluid has a higher pressure than the primary fluid, a flow of the secondary fluid from the gap into the flow of the primary fluid is formed. This secondary fluid flow is often used, in particular in turbines, for the fluid dynamic sealing of the gaps. As a result of the mixing process between the primary fluid and the secondary fluid, there are high flow losses in the primary flow of the turbomachine.
In turbines in particular, a further gap flow often occurs between a moving and a stationary grid row when the moving grid row is designed with a shroud. There is usually a gap between the circumferential cover band and the fixed housing. Due to the pressure gradient in the rotor, the cover band overflows in this gap with the subsequent overflow of the overflowing fluid into the primary flow. This fluid flowing over the shroud is also referred to below as secondary fluid. This gap flow also leads to high flow losses in the primary flow of the turbomachine.

Um die als Folge des Einströmens des Sekundärfluides in die Primärströmung und des Durchmischens der Fluide verursachten Strömungsverluste zu vermindern, wurde bisher versucht, den Eintrittszustand des Sekundärfluides der Primärströmung anzupassen. Als Parameter des Eintrittszustandes lassen sich hierbei jedoch lediglich der Steigungswinkel des einströmenden Sekundärfluides und der Druck des Sekundärfluides beeinflussen. Der Gierwinkel der Sekundärfluidströmung, als der Winkel in der Umfangsebene, weicht in aller Regel in beträchtlichem Maße von der Strömungsrichtung der Primärströmung ab. Zudem variiert der Gierwinkel des einströmenden Sekundärfluides jeweils innerhalb einer Schaufelpassage zwischen zwei Schaufeln infolge des Druckgefälles in einem Schaufelkanal. Hierdurch kommt es zu einer bedeutenden Fehlanströmung insbesondere auf den Saugseiten der nachfolgenden Beschaufelung. Dies wiederum führt einerseits zu einer Aufdickung der Wandgrenzschichten und andererseits zu einer Verstärkung der Wirbelsysteme, die bei der Durchströmung des beschaufelten Strömungskanals auftreten.To the as a result of the inflow of the secondary fluid into the primary flow and the To reduce flow losses caused by mixing the fluids has so far been tries to adapt the entry state of the secondary fluid to the primary flow. As However, only the pitch angle can be parameterized in this case of the inflowing secondary fluid and the pressure of the secondary fluid. The Yaw angle of the secondary fluid flow, as the angle in the circumferential plane, gives way to usually to a considerable extent on the direction of flow of the primary flow. In addition, the yaw angle of the inflowing secondary fluid varies within one Blade passage between two blades due to the pressure drop in a blade channel. This leads to a significant incorrect flow, particularly on the Suction sides of the following blading. This in turn leads to one Thickening of the wall boundary layers and on the other hand to reinforce the vortex systems, that occur during the flow through the bladed flow channel.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verluste einer Strömung durch einen beschaufelten Strömungskanal einer Turbomaschine, insbesondere einer axial durchströmten Turbine, im Falle des Einströmens eines Sekundärfluides in die Strömung des Primärfluides zu vermindern.The invention has for its object the losses of a flow through a bladed Flow channel of a turbomachine, in particular one with an axial flow Turbine, in the event that a secondary fluid flows into the flow of the primary fluid to diminish.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Führung des in die Strömung des Primärfluides einmündenden Sekundärfluides an zumindest einer Schaufel eines Schaufelrades zumindest ein Schaufelprofilsteg angeordnet ist. Das Sekundärfluid mündet hierbei zumindest in einem Teilbereich des Schaufelrades stromauf des Schaufelrades in den Strömungskanal ein.
Es stellte sich überraschenderweise heraus, daß durch die Anordnung eines Schaufelprofilstegs die durch die Einmündung des Sekundärfluids in die Primärströmung bedingten Strömungsverluste der Primärströmung deutlich vermindert werden. Diese Verminderung der Strömungsverluste resultiert aus der räumlichen Begrenzung der Beeinflussung der Strömung des Primärfluides infolge des in die Strömung des Primärfluides einmündenden Sekundärfluides. Einerseits wird hierdurch die Eindringtiefe der Sekundärfluidströmung in den Strömungskanal in radialer Richtung begrenzt. Andererseits wird darüber hinaus die Interaktion des Sekundärfluides mit weiteren Wirbelsystemen sowie die Ausbreitung der Wirbelsysteme in dem Strömungskanal räumlich begrenzt. Als ein weiterer Effekt wird die Strömung des Sekundärfluids infolge der Strömungsführung durch den Schaufelprofilsteg mit der Primärströmung gleichgerichtet.This object is achieved in that at least one blade profile web is arranged on at least one blade of a blade wheel for guiding the secondary fluid flowing into the flow of the primary fluid. The secondary fluid opens into the flow channel at least in a partial region of the impeller upstream of the impeller.
It was surprisingly found that the arrangement of a blade profile web significantly reduces the flow losses in the primary flow caused by the confluence of the secondary fluid in the primary flow. This reduction in flow losses results from the spatial limitation of the influence on the flow of the primary fluid as a result of the secondary fluid flowing into the flow of the primary fluid. On the one hand, this limits the depth of penetration of the secondary fluid flow into the flow channel in the radial direction. On the other hand, the interaction of the secondary fluid with other vortex systems and the spread of the vortex systems in the flow channel are also limited in space. As a further effect, the flow of the secondary fluid is rectified with the primary flow due to the flow guidance through the blade profile web.

Bevorzugt wird der Schaufelprofilsteg auf dem Profil der Schaufel nahe derjenigen Seitenwand des Strömungskanals angeordnet, auf der das Sekundärfluid in die Primärströmung einmündet. Der Abstand des Schaufelprofilstegs von der Seitenwand ist in Abhängigkeit des Massenstroms des in die Primärströmung einmündenden Sekundärfluids zu wählen.The blade profile web on the profile of the blade near that side wall is preferred arranged of the flow channel on which the secondary fluid into the primary flow flows into. The distance of the blade profile web from the side wall depends of the mass flow of the secondary fluid flowing into the primary flow choose.

Im Folgenden wird die Erfindung auch in Anordnungen bestehend aus mehreren Schaufeln und/oder aus mehreren Schaufelprofilstegen beschrieben. Dies stellt keine Einschränkung der Erfindung in Bezug auf eine einzelne Schaufel und/oder einen einzelnen Schaufelprofilsteg dar.The invention is also described below in arrangements consisting of a plurality of blades and / or described from several blade profile webs. This is not a limitation of the invention in relation to a single blade and / or a single blade profile web represents.

Zweckmäßig erfolgt die Anordnung zumindest eines Schaufelprofilstegs an zumindest einer Schaufel eines relativ zum Gehäuse der Turbomaschine feststehenden Schaufelrades (Stator). Insbesondere bei einem stromauf angeordneten, bewegten Schaufelrad, das mit einem Deckband ausgeführt ist, können hierdurch vorteilhaft die auftretenden Strömungsverluste deutlich verringert werden. Diese Strömungsverluste ergeben sich als Folge des Wiedereintritts des Sekundärfluides in die Primärfluidströmung.The arrangement of at least one blade profile web is expediently carried out on at least one Blade of a blade wheel which is fixed relative to the housing of the turbomachine (Stator). In particular in the case of a moving paddle wheel arranged upstream, which with a cover band, the resulting flow losses can hereby advantageously be significantly reduced. These flow losses result from the Re-entry of the secondary fluid into the primary fluid flow.

Von Vorteil ist auch die Anordnung zumindest eines Schaufelprofilstegs an zumindest einer Schaufel eines relativ zum Gehäuse der Turbomaschine bewegten Schaufelrades (Rotor). Es zeigte sich, daß bei Anordnung des Schaufelprofilstegs bevorzugt im Nabenbereich der Beschaufelung des Rotors die Strömungsverluste deutlich vermindert werden. Zusätzlich werden die Wirbelsysteme in den Ecken des Strömungskanals zwischen zwei Schaufeln in ihrer Ausdehnung örtlich begrenzt. Dies führt wiederum insbesondere im hochbelasteten Nabenbereich der Beschaufelung eines Rotors zu einer Verminderung der Strömungsverluste. Zusätzlich stellt sich infolge der Vergrößerung des Bereichs ungestörter Primärströmung eine höhere, über den Radius gemittelte Umlenkung des Fluides bei der Durchströmung des Rotors ein. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Energieumsetzung im Rotor.The arrangement of at least one blade profile web on at least is also advantageous a blade of a blade wheel moved relative to the housing of the turbomachine (Rotor). It was found that when the blade profile web is arranged, it is preferred in the hub area the blading of the rotor, the flow losses are significantly reduced. In addition, the vortex systems in the corners of the flow channel between two Buckets limited in their extent. This in turn leads in particular highly loaded hub area of the blading of a rotor to reduce the Flow losses. In addition, there is no interference due to the enlargement of the area Primary flow a higher deflection of the fluid averaged over the radius the flow through the rotor. This is equivalent to an increase in energy conversion in the rotor.

Es erwies sich als vorteilhaft, den Schaufelprofilsteg so auszuführen, daß seine maximale Breite in einem Bereich zwischen der Schaufelnase und etwa der maximalen Profildicke der Schaufel liegt. Als Breite ist hierbei der in einer Draufsichtsbetrachtung lotrecht zur Profilkontur der Schaufel gemessene Abstand der äußeren Profilkontur des Schaufelprofilstegs von der Profilkontur der Schaufel definiert.
Der zweckmäßig im vorderen Bereich der Schaufel und somit im unmittelbaren Einmündungsbereich des Sekundärfluids mit maximaler Breite ausgebildete Schaufelprofilsteg begrenzt die Eindringtiefe des stromauf einer Schaufelreihe in den Strömungskanal einmündenden Sekundärfluids in den Strömungskanal. Weiterhin werden auch die in den Ecken auftretenden Wirbelsysteme im Strömungskanal räumlich begrenzt. Diese Begrenzungen führen zu einer deutlichen Abnahme der Strömungsverluste.
Sowohl in der Schaufelnase als auch in der Hinterkante der Schaufel weist der Schaufelprofilsteg vorteilhaft eine Breite von Null auf. Somit erfährt die Strömung hier auch keine zusätzliche Führung durch den Schaufelprofilsteg. Infolge der Verringerung der überströmten Wandfläche durch die Verminderung der Breite des Schaufelprofilstegs in der Schaufelnase und der Hinterkante der Schaufel entstehen jedoch vorteilhaft nur geringe Profilverluste des Schaufelprofilstegs.
Der Schaufelprofilsteg wird vorteilhaft in kontinuierlicher Weise von seiner maximalen Breite auf eine Breite von Null reduziert. Hierdurch ergeben sich keine sprunghaften Übergänge in der Kontur des Schaufelprofilstegs, so daß sich keine zusätzlichen Wirbel in der Primärströmung ausbilden.It has proven to be advantageous to design the blade profile web in such a way that its maximum width lies in a range between the blade nose and approximately the maximum profile thickness of the blade. The width defined here is the distance of the outer profile contour of the blade profile web from the profile contour of the blade measured perpendicular to the profile contour of the blade in a plan view.
The blade profile web, which is expediently formed with a maximum width in the front area of the blade and thus in the immediate junction area of the secondary fluid, limits the depth of penetration of the secondary fluid into the flow channel upstream of a row of blades. Furthermore, the vortex systems occurring in the corners are spatially limited in the flow channel. These limits lead to a significant decrease in flow losses.
The blade profile web advantageously has a width of zero both in the blade nose and in the rear edge of the blade. This means that the flow does not experience any additional guidance through the blade profile web. As a result of the reduction in the wall area overflowed by the reduction in the width of the blade profile web in the blade nose and the rear edge of the blade, however, there are advantageously only slight profile losses of the blade profile web.
The blade profile web is advantageously reduced from its maximum width to a width of zero in a continuous manner. As a result, there are no abrupt transitions in the contour of the blade profile web, so that no additional vortices form in the primary flow.

Es wurde gefunden, daß die Verluste besonders deutlich vermindert werden, wenn die maximale Breite des Schaufelprofilstegs bevorzugt zwischen 10% und 20% des Abstandes der Hinterkanten zweier benachbarter Schaufeln beträgt. Der Schaufelprofilsteg kragt folglich lediglich in die Primärströmung hinein, wodurch der Strömungskanal nur lokal und nicht über den gesamten Abstand zwischen zwei Schaufeln unterteilt wird. Vorteilhaft werden hierdurch aber insbesondere die energetisch defizitären Eckenbereiche der Strömung in dem Strömungskanal zwischen zwei Schaufeln abgegrenzt.It has been found that the losses are particularly significantly reduced when the maximum Width of the blade profile web preferably between 10% and 20% of the distance the trailing edge of two adjacent blades. The blade profile web protrudes consequently only into the primary flow, which means that the flow channel is only local and is not divided over the entire distance between two blades. Advantageous however, this makes the corner areas of the flow that are deficient in energy in particular delimited in the flow channel between two blades.

Häufig ist es sinnvoll, die Schaufelprofilstege sowohl auf der Saugseite als auch auf der Druckseite der betreffenden Schaufeln anzuordnen. Hierdurch werden sowohl die saugseitigen als auch die druckseitigen Eckenbereiche der Strömungskanäle zwischen je zwei Schaufeln lokal von der Hauptströmung abgegrenzt.
Oftmals ist es auch zweckmäßig, die Schaufelprofilstege lediglich auf den Saugseiten der betreffenden Schaufeln anzuordnen. Diese bevorzugte Anordnung der Schaufelprofilstege führt ebenso zu einer deutlichen Verminderung der Strömungsverluste bei gleichzeitig geringerem fertigungstechnischem Aufwand im Vergleich zu einer Anordnung der Schaufelprofilstege sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite der Schaufeln. Die Anordnung der Schaufelprofilstege nur auf den Saugseiten der Schaufeln führt jedoch ebenso zu einer hohen Verminderung der Strömungsverluste. Dies ist insbesondere darin begründet, daß die Schaufelprofilstege zu einer Begrenzung der Verdrängung des energetisch besonders defizitären und wirbelreichen Fluides in den jeweiligen saugseitigen Ecken zwischen zwei Schaufeln durch das Sekundärfluid führen. Ohne Anordnung eines Schaufelprofilstegs auf der Saugseite einer Schaufel wird dieses energetisch defizitäre Fluid und insbesondere der Kanalwirbel in die Primärströmung verdrängt. Dies führt zu hohen Strömungsverlusten der Strömung.It is often advisable to arrange the blade profile webs both on the suction side and on the pressure side of the blades in question. As a result, both the suction-side and the pressure-side corner regions of the flow channels between two blades each are locally delimited from the main flow.
It is often also expedient to arrange the blade profile webs only on the suction sides of the blades in question. This preferred arrangement of the blade profile webs also leads to a significant reduction in the flow losses with a simultaneously lower manufacturing outlay compared to an arrangement of the blade profile webs both on the pressure side and on the suction side of the blades. However, the arrangement of the blade profile webs only on the suction sides of the blades also leads to a high reduction in the flow losses. This is particularly due to the fact that the blade profile webs lead to a limitation of the displacement of the fluid, which is particularly deficient in terms of energy and is high in eddies, in the respective suction-side corners between two blades by the secondary fluid. Without arranging a blade profile web on the suction side of a blade, this energetically deficient fluid and in particular the channel vortex are displaced into the primary flow. This leads to high flow losses in the flow.

Insbesondere im Falle der Anordnung eines Schaufelprofilstegs lediglich auf der Saugseite einer Schaufel ist es zweckmäßig, den Schaufelprofilsteg außerhalb des Bereichs zwischen der Schaufelnase der Schaufel und dem engsten Querschnitt des angrenzenden Schaufelkanals auf eine Breite von Null zu reduzieren. Dies führt zu geringen Profilverlusten des Schaufelprofilstegs. Gleichzeitig wird vorteilhaft der engste Querschnitt des Schaufelkanals nicht verengt.Especially in the case of the arrangement of a blade profile web only on the suction side a blade, it is appropriate to the blade profile web outside the area between the blade nose of the blade and the narrowest cross section of the adjacent blade channel to reduce to a width of zero. This leads to low profile losses of the Blade profile web. At the same time, the narrowest cross section of the blade channel becomes advantageous not narrowed.

Der Übergang zwischen der Profilkontur der Schaufel und dem Schaufelprofilsteg ist zweckmäßig mit einem Übergangsradius abgerundet. Der Übergangsradius beträgt bevorzugt zwischen 10% und 20% des engsten Querschnitts benachbarter Schaufeln. Infolge der Abrundungen kommt es zu keiner Ausbildung von zusätzlichen Eckenwirbeln, die wiederum zu zusätzlichen Strömungsverlusten führen würden.The transition between the profile contour of the blade and the blade profile web is appropriately rounded with a transition radius. The transition radius is preferred between 10% and 20% of the narrowest cross-section of adjacent blades. As a result of Rounding does not lead to the formation of additional vertebrae, which in turn would lead to additional flow losses.

Es hat sich herausgestellt, daß es zur Lösung der Aufgabe der Erfindung besonders vorteilhaft ist, den Schaufelprofilsteg gegenüber der nächstgelegenen Seitenwand unter einem Neigungswinkel anzuordnen. Der Strömungskanal zwischen dem Schaufelprofilsteg und der Seitenwand verjüngt sich hierdurch in Strömungsrichtung. Der Neigungswinkel beträgt hierbei bevorzugt zwischen 2° und 6°. Infolge der Verjüngung des Strömungskanals wird die in diesem Strömungskanal geführte Strömung beschleunigt. Es stellte sich heraus, daß das einmündende Sekundärfluid hierbei unter Ausbildung besonders geringer Strömungsverluste mit der Primärströmung gleichgerichtet wird.It has been found that it is particularly advantageous to achieve the object of the invention is, the blade profile web opposite the nearest side wall under one To arrange the angle of inclination. The flow channel between the blade profile web and the side wall thereby tapers in the direction of flow. The angle of inclination is preferably between 2 ° and 6 °. As a result of the tapering of the flow channel the flow in this flow channel accelerates. It turned out that the secondary fluid flowing in here with the formation of particularly low flow losses is rectified with the primary flow.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings.

Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal, in dem ein Rotor und stromab des Rotors ein Stator angeordnet sind. Der Stator weist erfindungsgemäß einen Schaufelprofilsteg auf.
Fig. 2: die Auswirkung eines in den Strömungskanal zwischen zwei Schaufeln einmündenden Sekundärfluides auf das Wirbelsystem in dem Strömungskanal:
i) ohne zusätzlich einmündendes Sekundärfluid

ii) mit zusätzlich einmündendem Sekundärfluid
Fig. 3: einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Schaufeln in der Draufsicht, wobei die Schaufeln jeweils auf den Saugseiten und auf den Druckseiten Schaufelprofilstege aufweisen.
Fig. 4: eine Schaufel im Querschnitt, auf deren Saugseite und auf deren Druckseite Schaufelprofilstege angeordnet sind.
Fig. 5: einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal, in dem ein Rotor und stromab des Rotors ein Stator angeordnet sind. Der Stator weist erfindungsgemäß eine weitere Ausführungsform der Erfindung auf.
Fig. 6: einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Schaufeln in der Draufsicht, wobei auf der Saugseite einer Schaufel erfindungsgemäß ein Schaufelprofilsteg angeordnet ist.
Fig. 7: einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal, in dem ein mit einem Deckband ausgeführter Rotor und stromab des Rotors ein Stator angeordnet sind. Der Stator weist erfindungsgemäß einen Schaufelprofilsteg auf, der unter einem Neigungswinkel gegenüber der Seitenwand angestellt ist.

Show it:

Fig. 1: a longitudinal section through a flow channel in which a rotor and a stator are arranged downstream of the rotor. According to the invention, the stator has a blade profile web.
Fig. 2: the effect of a secondary fluid flowing into the flow channel between two blades on the vortex system in the flow channel:
i) without additional secondary fluid flowing in

ii) with an additional secondary fluid flowing in
Fig. 3: a section through two blades arranged side by side in plan view, the blades each having blade profile webs on the suction sides and on the pressure sides.
Fig. 4: a blade in cross section, on the suction side and on the pressure side blade profile webs are arranged.
Fig. 5: a longitudinal section through a flow channel in which a rotor and a stator are arranged downstream of the rotor. According to the invention, the stator has a further embodiment of the invention.
Fig. 6: a section through two blades arranged side by side in plan view, a blade profile web according to the invention being arranged on the suction side of a blade.
Fig. 7: a longitudinal section through a flow channel, in which a rotor with a shroud and a stator are arranged downstream of the rotor. According to the invention, the stator has a blade profile web which is set at an angle of inclination with respect to the side wall.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Figur 1 zeigt in einem Ausschnitt einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal 25 einer axial durchströmten Turbomaschine. Der Strömungskanal 25 wird von einem Primärfluid 10 durchströmt. In der Darstellung ist stromauf einer Statorschaufel 21 eine Rotorschaufel 20 angeordnet. Der Rotor ist hier mit einem Deckband 31 ausgeführt, wobei zwischen dem Deckband 31 und dem feststehenden Gehäuse 32 ein Spalt 30 verbleibt. Durch diesen Spalt 30 strömt ein Sekundärfluid 11. In einer Turbine entstammt dieses Sekundärfluid 11 oftmals der Primärfluidströmung stromauf des Rotors 20 und überströmt somit den Rotor. Unmittelbar stromauf des Stators 21 strömt das Sekundärfluid 11 durch den Spalt 35 in die Strömung des Primärfluides 10 ein. Um einerseits die Überströmung zu minimieren und andererseits die Eintrittsbedingungen des Sekundärfluides 11 in den Strömungskanal 25 unmittelbar stromauf des Stators 21 den Strömungsbedingungen des Primärfluides 10 anzupassen, sind häufig eine oder mehrere Einbauten 33 in dem Spalt 30 zwischen dem Deckband 31 und dem Gehäuse 32 vorgesehen. Das Gehäuse 32 mit den Einbauten 33 bildet hier zusammen mit dem Deckband 31 eine Labyrinthdichtung. Mit Hilfe dieser Labyrinthdichtung wird einerseits der das Deckband überströmende Massenstrom reduziert. Andererseits können hiermit die Eintrittsbedingungen des Sekundärfluides 11 den Strömungsbedingungen des Primärfluides 10 näherungsweise angepaßt werden. Hierbei wird vornehmlich der Druck des Sekundärfluides 11 und der Steigungswinkel in radialer Richtung des in die Strömung des Primärfluides 10 einströmenden Sekundärfluides 11 beeinflußt. Der Gierwinkel, als der Winkel in Umfangsrichtung des in die Primärströmung 10 einströmenden Sekundärfluides 11, weicht in erheblichem Maße von der Primärströmung ab. Als Folge dieser Abweichung des Gierwinkels kommt es üblicherweise zu einem tiefen Eindringen des Sekundärfluids 11 in den Strömungskanal 25 insbesondere in der Profilgrenzschicht der Beschaufelung. Dies führt zu hohen Strömungsverlusten. Darüber hinaus kommt es zu einer Verstärkung der Wirbelsysteme in dem Strömungskanal. Figur 2 illustriert diese nachträglich gefundenen Zusammenhänge. Das einmündende Sekundärfluid 11 in Figur 2ii führt im Vergleich zu Figur 2i ohne zusätzlich einmündendes Sekundärfluid insbesondere zu einer Anfachung des Kanalwirbels 50. Darüber hinaus wird der Kanalwirbel 50 infolge der Verdrängungswirkung durch das Sekundärfluid aus dem Eckenbereich eines Schaufelkanals zwischen zwei Schaufeln in den Strömungskanal abgedrängt. Dies führt zu weiteren Strömungsverlusten.FIG. 1 shows a detail of a longitudinal section through a flow channel 25 axially flowed turbomachine. The flow channel 25 is made of a primary fluid 10 flows through. In the illustration, upstream of a stator blade 21 is a rotor blade 20 arranged. The rotor is designed here with a shroud 31, between which Cover tape 31 and the fixed housing 32, a gap 30 remains. Through this gap 30 a secondary fluid 11 flows. This secondary fluid 11 often originates in a turbine the primary fluid flow upstream of the rotor 20 and thus flows over the rotor. Immediately upstream of the stator 21, the secondary fluid 11 flows through the gap 35 into the Flow of the primary fluid 10 a. To minimize the overflow on the one hand and on the other hand, the entry conditions of the secondary fluid 11 into the flow channel 25 to adjust the flow conditions of the primary fluid 10 immediately upstream of the stator 21, are often one or more internals 33 in the gap 30 between the Cover band 31 and the housing 32 are provided. The housing 32 forms with the internals 33 here together with the shroud 31 a labyrinth seal. With the help of this labyrinth seal on the one hand, the mass flow flowing over the shroud is reduced. On the other hand can hereby determine the entry conditions of the secondary fluid 11 the flow conditions of the primary fluid 10 can be adapted approximately. This is primarily the pressure of the secondary fluid 11 and the pitch angle in the radial direction of the secondary fluid 11 flowing into the flow of the primary fluid 10 is influenced. The yaw angle, as the angle in the circumferential direction of the inflow into the primary flow 10 Secondary fluid 11 deviates to a considerable extent from the primary flow. As As a result of this deviation in the yaw angle, there is usually a deep penetration of the secondary fluid 11 in the flow channel 25, in particular in the profile boundary layer the blading. This leads to high flow losses. Furthermore there is an intensification of the vortex systems in the flow channel. Figure 2 illustrates these relationships found afterwards. The secondary fluid flowing in 11 in FIG. 2ii leads in comparison to FIG. 2i without an additional secondary fluid flowing in in particular to fanning the canal vortex 50. In addition, the canal vortex 50 due to the displacement effect by the secondary fluid from the corner area of a blade channel between two blades pushed into the flow channel. This leads to further flow losses.

Hier setzt die Erfindung an. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Schaufelprofilstegs 140 auf der Statorschaufel 21 wird der Strömungskanal 25 lokal unterteilt. Das in den Strömungskanal 25 eintretende Sekundärfluid 11 wird in dem abgegrenzten Teil des Strömungskanals 25 zwischen dem Schaufelprofilsteg 140 und der Seitenwand 24 geführt. Infolge der Anordnung des Schaufelprofilstegs 140 wird somit ein tieferes Einströmen sowohl des Sekundärfluides 11 als auch der Wirbelsysteme in den Strömungskanal 25 verhindert.
Der Schaufelprofilsteg 140 in Figur 1 erstreckt sich über die gesamte Sehnenlänge der Statorschaufel 21 und verläuft in der dargestellten Ausführungsform der Erfindung parallel zur Seitenwand 24. Grundsätzlich ist es zweckmäßig, den Schaufelprofilsteg nahe der Seitenwand auf derjenigen Seite des Strömungskanals anzuordnen, auf der das Sekundärfluid 11 in die Primärströmung 10 einmündet. Darüber hinaus ist der Schaufelprofilsteg 140 vorzugsweise mit einer geringen Dicke ausgeführt. Ferner weist der Schaufelprofilsteg 140 in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform längs seiner axialen Erstreckung nahe der Schaufelnase 22 und der Hinterkante 23 der Statorschaufel 21 eine geringere Dicke auf als in der Mitte der Statorschaufel 21. This is where the invention comes in. The flow channel 25 is locally divided by the arrangement of a blade profile web 140 on the stator blade 21 according to the invention. The secondary fluid 11 entering the flow channel 25 is guided in the delimited part of the flow channel 25 between the blade profile web 140 and the side wall 24. As a result of the arrangement of the blade profile web 140, a deeper inflow of both the secondary fluid 11 and the vortex systems into the flow channel 25 is prevented.
The blade profile web 140 in FIG. 1 extends over the entire chord length of the stator blade 21 and runs parallel to the side wall 24 in the illustrated embodiment of the invention. In principle, it is expedient to arrange the blade profile web near the side wall on the side of the flow channel on which the secondary fluid 11 is located opens into the primary flow 10. In addition, the blade profile web 140 is preferably made with a small thickness. Furthermore, in the embodiment shown in FIG. 1, the blade profile web 140 has a smaller thickness along its axial extent near the blade nose 22 and the rear edge 23 of the stator blade 21 than in the middle of the stator blade 21.

In Figur 3 ist ein Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Statorschaufeln 21, 21' in der Draufsicht dargestellt. Die Statorschaufeln 21, 21' weisen jeweils saugseitig und druckseitig erfindungsgemäß Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' auf, wobei die saugseitigen Schaufelprofilstege und die druckseitigen Schaufelprofilstege hier jeweils gleich ausgeführt sind. Die Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' erstrecken sich in der dargestellten Ausführung der Erfindung jeweils von der Schaufelnase 22, 22' bis zur Hinterkante 23, 23' der jeweiligen Statorschaufel 21, 21'. Die Profilkonturen der Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' weisen einen kontinuierlichen Verlauf auf. In der Schaufelnase 22, 22' sowie in der Hinterkante 23, 23' der jeweiligen Statorschaufel 21, 21' sind die Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' hier jeweils auf eine Breite von Null reduziert. Die maximale Breite der Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' liegt jeweils in den Bereichen zwischen der jeweiligen Schaufelnase 22, 22' und etwa der maximalen Profildicke der jeweiligen Statorschaufel 21, 21'. Die maximale Breite der sowohl saugseitigen (B_s) als auch druckseitigen (B_d) Schaufelprofilstege beträgt hier etwa 12,5 % des Abstandes P der Hinterkanten 23, 23' der beiden Statorschaufeln 21, 21'. Somit ist sichergestellt, daß das Sekundärfluid in dem vorderen Bereich des Schaufelkanals zwischen den zwei Statorschaufeln 21, 21' eine ausgeprägte Führung erfährt. Infolge der abnehmenden Breite der Schaufelprofilstege 240, 240', 241, 241' im hinteren Bereich des Schaufelkanals vermindert sich in gleichem Maße auch die Führung des Sekundärfluids in diesem Bereich des Schaufelkanals. Dies führt dazu, daß das Sekundärfluid sukzessive der Primärströmung zugemischt wird.FIG. 3 shows a section through a top view of two stator blades 21, 21 ′ arranged next to one another. The stator blades 21, 21 'each have blade profile webs 240, 240', 241, 241 'according to the invention on the suction side and pressure side, the suction-side blade profile webs and the pressure-side blade profile webs here each being of the same design. The blade profile webs 240, 240 ', 241, 241' in the illustrated embodiment of the invention each extend from the blade nose 22, 22 'to the rear edge 23, 23' of the respective stator blade 21, 21 '. The profile contours of the blade profile webs 240, 240 ', 241, 241' have a continuous course. In the blade nose 22, 22 'and in the rear edge 23, 23' of the respective stator blades 21, 21 ', the blade profile webs 240, 240', 241, 241 'are each reduced to a width of zero here. The maximum width of the blade profile webs 240, 240 ', 241, 241' is in each case in the areas between the respective blade nose 22, 22 'and approximately the maximum profile thickness of the respective stator blade 21, 21'. The maximum width of the blade profile webs on both the suction side (B _s ) and the pressure side (B _d ) is here approximately 12.5% of the distance P between the rear edges 23, 23 'of the two stator blades 21, 21'. This ensures that the secondary fluid in the front region of the blade channel between the two stator blades 21, 21 'experiences a pronounced guidance. Due to the decreasing width of the blade profile webs 240, 240 ', 241, 241' in the rear area of the blade channel, the guidance of the secondary fluid in this area of the blade channel is reduced to the same extent. This leads to the secondary fluid being successively mixed into the primary flow.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 in einem Schnitt durch eine Statorschaufel 21 dargestellt. Der Übergang der Profilkontur der Statorschaufel 21 in die Kontur der Schaufelprofilstege 340, 341 ist hier zweckmäßig mit einem Übergangsradius 42 abgerundet. Hierdurch lassen sich scharfkantige Ecken vermeiden, die zur Ausbildung von Eckenwirbeln der Strömung führen würden. Der Übergangsradius entspricht hier etwa 15 % des engsten Querschnittes (AB) des Strömungskanals zwischen jeweils zwei benachbarten Statorschaufeln 21, 21'. Die benachbarten Statorschaufeln und der engste Querschnitt (AB) zwischen jeweils zwei Statorschaufeln 21, 21' sind in Figur 4 nicht dargestellt. Die der Figur 4 zugrunde liegende Anordnung der Statorschaufeln 21, 21' entspricht aber im Prinzip der Anordnung aus Figur 3. A preferred embodiment of the invention is shown in Figure 4 in a section through a Stator blade 21 shown. The transition of the profile contour of the stator blade 21 in the The contour of the blade profile webs 340, 341 is expedient here with a transition radius 42 rounded. This can avoid sharp corners that lead to training from corner whirls of the current. The transition radius here corresponds approximately 15% of the narrowest cross-section (AB) of the flow channel between two neighboring ones Stator blades 21, 21 '. The adjacent stator blades and the narrowest cross section (AB) between each two stator blades 21, 21 'are not shown in FIG. 4. The arrangement of the stator blades 21, 21 'on which FIG. 4 is based corresponds but in principle the arrangement of Figure 3.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einem Längsschnitt durch einen Strömungskanal 25. In dem dargestellten Strömungskanal 25 ist eine Schaufel eines mit einem Deckband 31 ausgeführten Rotors 20 und nachfolgend eine Schaufel eines Stators 21 angeordnet. Das Deckband 31 des Rotors 20 wird von einem Sekundärfluid 11 überströmt, das unmittelbar stromauf des Stators 21 in die Primärströmung 10 einmündet. Erfindungsgemäß ist nahe der Seitenwand 24 an der Statorschaufel 21 ein Schaufelprofilsteg 440 angeordnet, der parallel zu der Seitenwand 24 verläuft. In der dargestellten Ausführung erstreckt sich der Schaufelprofilsteg 440 in axialer Richtung nur über einen Teilbereich des Schaufelprofils. Außerhalb des Bereichs zwischen der Schaufelnase 22 der Statorschaufel 21 und dem engsten Querschnitt des durch jeweils zwei nebeneinander angeordnete Statorschaufeln 21, 21' gebildeten Schaufelkanals ist der Schaufelprofilsteg 440 auf eine Breite von Null reduziert.Figure 5 shows a further embodiment of the invention in a longitudinal section a flow channel 25. In the flow channel 25 shown is a blade one with a cover band 31 designed rotor 20 and subsequently a blade of a stator 21 arranged. The cover band 31 of the rotor 20 is covered by a secondary fluid 11 overflows, which opens upstream of the stator 21 into the primary flow 10. According to the invention, a blade profile web is on the stator blade 21 near the side wall 24 440 arranged, which runs parallel to the side wall 24. In the version shown The blade profile web 440 extends only over a partial area in the axial direction of the blade profile. Outside the area between the blade nose 22 of the Stator blade 21 and the narrowest cross section of each by two side by side arranged stator blades 21, 21 'formed blade channel is the blade profile web 440 reduced to a width of zero.

Die in Figur 6 dargestellte Anordnung zweier Statorschaufeln 21 und 21' in der Draufsicht zeigt eine ähnliche Ausführung der Erfindung wie in Figur 3. In der Darstellung ist an einer Statorschaufel 21, auf deren Saugseite, erfindungsgemäß ein Schaufelprofilsteg 540 angeordnet. Der Schaufelprofilsteg 540 weist nur innerhalb des Bereichs zwischen der Schaufelnase 22 der Statorschaufel 21 und dem engsten Querschnitt (AB) des Schaufelkanals eine von Null abweichende Breite auf. Außerhalb dieses Bereichs ist die Breite des Schaufelprofilstegs 540 auf Null reduziert. Der engste Querschnitt des Schaufelkanals wird hier als Folge der Anordnung des Schaufelprofilstegs 540 nicht reduziert.The arrangement of two stator blades 21 and 21 'shown in Figure 6 in plan view shows a similar embodiment of the invention as in Figure 3. In the illustration is one Stator blade 21, on the suction side of which, according to the invention, a blade profile web 540 is arranged. The blade profile web 540 points only within the area between the Blade nose 22 of the stator blade 21 and the narrowest cross section (AB) of the blade channel a non-zero width. Outside of this range is the width of the Blade profile web 540 reduced to zero. The narrowest cross section of the blade channel is not reduced here as a result of the arrangement of the blade profile web 540.

Figur 7 zeigt eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Der Schaufelprofilsteg 640 ist hier gegenüber der Seitenwand 24 unter einem Winkel 645 geneigt an der Statorschaufel 21 angeordnet. Der Neigungswinkel beträgt hier 5°, wobei sich der Strömungskanal zwischen dem Schaufelprofilsteg 640 und der Seitenwand 24 in Strömungsrichtung verjüngt. Infolge dieser Verjüngung wird das in den Strömungskanal zwischen dem Schaufelprofilsteg 640 und der Seitenwand 24 eintretende Sekundärfluid 11 zum Austritt hin beschleunigt. Es stellte sich heraus, daß sich diese Beschleunigung sehr vorteilhaft sowohl in Bezug auf die Gleichrichtung des Sekundärfluids mit der Primärströmung als auch auf die Verminderung der Strömungsverluste auswirkt. FIG. 7 shows a further, particularly preferred embodiment of the invention. The Blade profile web 640 is inclined at an angle 645 with respect to side wall 24 arranged on the stator blade 21. The angle of inclination here is 5 ° the flow channel between the blade profile web 640 and the side wall 24 in the flow direction rejuvenated. As a result of this taper, this is between in the flow channel Secondary fluid 11 entering blade profile web 640 and side wall 24 accelerated towards the exit. It turned out that this acceleration is very advantageous both in terms of the rectification of the secondary fluid with the primary flow as well as reducing flow losses.

BezugszeichenlisteReference list

1010th: PrimärfluidPrimary fluid
1111: SekundärfluidSecondary fluid
2020th: Rotorschaufel, RotorRotor blade, rotor
21,21'21.21 ': Statorschaufel, StatorStator blade, stator
22, 22'22, 22 ': SchaufelnaseBucket nose
23, 23'23, 23 ': HinterkanteTrailing edge
2424th: gehäuseseitige Seitenwand des Strömungskanalsside wall of the flow channel on the housing side
2525th: StrömungskanalFlow channel
3030th: Spalt zwischen Deckband und GehäuseGap between cover band and housing
3131: Deckband des RotorsCover band of the rotor
3232: Gehäusecasing
3333: EinbautenInternals
3535: Spalt zwischen Rotor und StatorGap between rotor and stator
140, 240, 240', 241, 241', 340, 341, 440, 540, 640140, 240, 240 ', 241, 241 ', 340, 341, 440, 540, 640: SchaufelprofilstegBlade profile web
4242: ÜbergangsradiusTransition radius
645645: NeigungswinkelAngle of inclination
5050: KanalwirbelChannel vortex

B_S B _S: maximale Breite des auf der Saugseite der Schaufel angeordneten Schaufelprofilstegsmaximum width of the arranged on the suction side of the bucket Blade profile web
B_d B _d: maximale Breite des auf der Druckseite der Schaufel angeordneten Schaufelprofilstegsmaximum width of the arranged on the pressure side of the bucket Blade profile web

Claims

Blade of a blade wheel of a turbomachine, the blade in a flow channel (25) is arranged, through which a primary fluid (10) flows, and at least in a partial area of the impeller upstream of the impeller, a secondary fluid (11) opens into the flow channel (25), characterized in that for guiding of the secondary fluid (11) opening into the flow of the primary fluid (10) on the Bucket at least one blade profile web (140, 240, 241, 340, 341, 440, 540, 640) is arranged.

A blade according to claim 1, wherein the blade wheel is relative to the housing of the turbomachine is certain.

A blade according to claim 1, wherein the blade wheel is relative to the housing of the turbomachine is moved.

Blade according to one of the preceding claims, in which the blade profile web (240) is one maximum width in a range between the blade nose (22) and approximately the maximum Has profile thickness of the blade and in the area of the blade nose (22) and the rear edge (23) of the blade continuously merges into the profile contour of the blade, with a reduced width in the blade nose (22) and in the rear edge (23) the shovel.

Blade according to one of the preceding claims, in which the maximum width (B _S , B _d ) of the blade profile web (240, 241) preferably between 10% and 20% of the distance (P) of the trailing edges (23, 23 ') of two adjacent blades is.

Blade according to one of the preceding claims, in which on the suction side and the pressure side the blade has at least one blade profile web (240, 241, 340, 341) is.

Blade according to one of claims 1 to 5, in which only on the suction side of the Blade a blade profile web (540) is arranged.

Blade according to one of the preceding claims, in which the blade profile web (540) is external the area between the blade nose (22) of the blade and the narrowest Cross section (AB) of the adjacent blade channel reduced to a width of zero is.

Bucket according to one of the preceding claims, in which the transition between the Blade profile web (340, 341) and the profile contour of the blade is rounded, whereby the transition radius is preferably between 10% and 20% of the narrowest cross section (AB) of adjacent blades.

Blade according to one of the preceding claims, in which the blade profile web (640) is opposite the side wall (24) at an angle of inclination (645) arranged in such a way is that the flow channel between the blade profile web and the side wall tapered due to the angle of inclination in the direction of flow, the angle of inclination is preferably between 2 ° and 6 °.

Use of the blade profile web according to one of the preceding claims for spatial Limitation of the influence of the flow of the primary fluid as a result of the Flow of the primary fluid flowing into the secondary fluid.

Use of the blade profile web according to claim 10 for rectifying the in the Flow of the primary fluid confluent flow of the secondary fluid with the flow of the primary fluid.