Sekundärströmung in Schaufel(ring)gittern mit Pfeilung und V-Stellung – eine Literaturstudie

Zusammenfassung

Bei der Auslegung von Strömungsmaschinen besteht ein Ziel darin, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen. Die Lauf- und Leiträder solcher Strömungsmaschinen setzen sich aus rotierenden und stehenden Tragflügelgittern zusammen, in denen sich in Abhängigkeit vom Betriebspunkt unterschiedlich starke Sekundärströmungen neben der Hauptströmung ausbilden. Der Wirkungsgrad wird unter anderem von diesen Abweichungen der Idealströmung beeinflußt. Diese Sekundärströmungen, zu denen auch die Spaltströmung gehört, betragen in modernen Axialturbinen ca. 20–40% der hydraulischen Gesamtverluste. Daraus erkennt man, daß die Verringerung dieser Verluste den Wirkungsgrad bedeutend beeinflussen kann. Für eine gezielte Beeinflussung der Sekundärströmungen im positiven Sinn benötigt man das genaue Verständnis der Entstehung und Entwicklung. Mit Kenntnissen über die Sekundärströmungen, deren Zusammenwirken und deren Einflußgrößen, kann man durch entsprechende Auslegungskriterien Beschaufelungen mit reduzierten Sekundärverlusten konstruieren. Form und Stärke dieser Sekundärströmungen hängen prinzipiell von strömungsabhängigen und geometrischen Einflußgrößen ab. Strömungsabhängige Einflüsse sind z. B. der Zuströmwinkel, die Grenzschichtdicke und die Turbulenz der Strömung. Geometrische Einflußgrößen sind z. B. die Belastungsverteilung, Form und Radius der Vorderkante, die Streckung, Grenzschichtzäune sowie die V-Stellung und die Pfeilung. Die V-Stellung und die Pfeilung können als effizientes Mittel angesehen werden, die Druckverhältnisse an den Seitenwänden und somit das Sekundärströmungsbild zu beeinflußen.

Abstract

One goal in designing fluid machinery is to maximise the efficiency. The rotor and the stator of such machines are comprised of rotating and stationary cascades. In addition to the main flow a secondary flow develops which depends on the operation point. The efficiency of the cascade is affected by this flow. The secondary flow, including the gap flow, can reach up to 20–40% of the total hyraulic losses in modern axial flow turbines. A reduction of these losses can remarkably affect the efficiency. In order to achieve this an exact understanding of the formation and the development of the secondary flow is required. If the designer properly understands the secondary flows, the interaction between them and the parameters which influence the secondary flows, it is possible to design cascades with reduced secondary losses by using proper design criteria. Shape and extend of the secondary flow mainly depend on flow parameters and geometric parameters. Flow parameters are, for example, the incidence angle, the boundary layer thickness and the turbulence. Geometric parameters are for example the distribution of the blade load, shape and radius of the leading edge, the aspect ratio, boundary layer fences, dihedral and sweep of the blade. The latter two geometric criteria can be regarded efficient means to model the pressure on the endwalls and, therefore, the development of the secondary flow.