DE2043083C3 - Beschaufelung einer axial durchströmten Turbomaschine - Google Patents

Description

Die herkömmliche Ausführungsart sind aber »zylindrische« Leit- und Laufschaufeln, nämlich mit praktisch parallelen Eintritts- und Austrittskanten, wie die Leitschaufel 7 und die Laufschaufel 8 in F i g. 1. Die Eintritts- und Austrittskanten bilden dann die Winkel ±γ mit den durch ihre Fußpunkte gelegten Radialen, und zwar so, daß die Eintrittskante 9 der Leitschaufel 7 und die Austrittskante 12 der Laufschaufel 8 einen negativen Winkel, während die Austrittskante 10 der Leitschaufel 7 und die Eintrittskante 11 der Laufschaufel 8 einen positiven Winkel bilden, wie das für die Laufschaufel 8 mit den Fußpunkten 13 und 14 der Eintrittskante 11 bzw. der Austrittskante 12 eingezeichnet ist. Diese Winkel γ sind gleichzeitig auch die Winkel zwischen der radialen und der Umfangskomponente der Kräfte, welche die Schaufeln auf das Arbeitsmedium ausüben. Da die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit in den Leit- und Laufschaufeln immer einander entgegengerichtet sind, haben die zusätzlichen radialen Schaufelkraftkomponenten in den Leit- und in den Laufschaufeln und damit auch die zusätzlichen radialen Beschleunigungen immer einen ähnlichen Verlauf, z. B. nach Kurve 31 in F i g.4. Die Integration der Kurve 31 ergibt wieder die Geschwindigkeitskurve 32 und die Verrückungskurve 33.

Ein Vergleich der F i g. 3 und 4 zeigt, daß die radialen Kräfte in den Leitschaufeln sich addieren, obwohl sie sich in den Laufschaufeln kompensieren. Diese Sachlage trifft sowohl für eine Turbine als auch für einen Verdichter ziL Wie bei einer Schwingung verschiedener Frequenzen können sich die beiden Ursachen nicht gegenseitig aufheben. Die Energiedissipation wird sich sogar immer addieren.

Nach der Erfindung werden nun bei im wesentlichen zylindrischen Laufschaufeln 8 nach F i g. 1 die Leitschaufeln 1 derart ausgebildet, daß ihre Ein- und Austrittskanten, in Achsrichtung gesehen, vom Fuß gegen den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, daß sie mit einer Radialen zusammenfallen. Radiale Schaufelkräfte treten dadurch nur bei den Laufschaufeln auf, während die Leitschaufeln praktisch keine radialen Schaufelkräfte auf das Arbeitsmedium ausüben. Die Kurve 41 in F i g. 5 zeigt den Verlauf der Beschleunigung innerhalb der Stufe. Aus einem Vergleich mit F i g. 3 ist ersichtlich, daß nun die radialen Kräfte aus der Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit und aus der Formgebung der Beschaufelung in den Laufschaufeln sich kompensieren, aber in den Leitschaufeln keine zusätzliche Störkraft vorkommt Die Integrationen mit den geeigneten Integrationskonstanten ergeben die Kurven 42 für den Geschwindigkeitsverlauf und die Kurve 43 für die Verriikkung. Ein Vergleich der Kurve 43 mit der Kurve 23 der

*5 F i g. 3 zeigt, daß bei zweckdienlicher Wahl des Verhältnisses der beiden Ursachen der radialen Verrückungen eine sehr gute Kompensation erreicht werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche: F i g. 1 verschiedene Leit- und Laufschaufelformen, in Achsrichtung der Turbomaschine gesehen,

1. Beschaufelung einer axial durchstömten Turbo- F i g. 2 einen Teil des abgewickelten Zylinderschnitmaschine, bei der die Eintritts- und Austrittskante je- tes H-H der Fig. 1, durch eine LeH- und Laufschaufelder Laufschaufel, in Achsrichtung gesehen, an- 5 reihe,

nähernd parallel verlaufen, dadurchgekenn- Fig. 3 bis 5 dazugehörige Strömungsdiagramme,

zeichnet, daß die Eintritts- und Austrittskante Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zuerst

jeder Leitschaufel, in Achsrichtung gesehen, vom Fuß die Ursache der schlängelnden Bewegung eines Masder Leitschaufel gegen den Kopf hin mindestens so senteilcbens eingehender untersucht werden. Betrachstark zueinander geneigt sind, daß sie mit einer io tet werde eine typische Stufe einer mehrstufigen, axial Radialen zusammenfallen. durchströmten Turbomaschine mit konstant 50%

2. Beschaufelung nach Anspruch 1, dadurch ge- Reaktionsgrad (d. h. die Leit- und die Laufschaufeln kennzeichnet, daß die Laufschaufeln (8, 13) wenig- verarbeiten je die Hälfte des Stufengefälles) längs dem stens in einer der beiden Hauptrichtungen (axiale und Radius. Vor dem Leitrad der Stufe hat die Umfangs-Umfangsrichtung) eine größere Breite aufweisen als 15 komponente der Strömungsgeschwindigkeit einen bedie Leitschaufeln (1,16). stimmten Betrag in einer zuerst willkürlich als negativ

bezeichneten Richtung. Innerhalb des Leitschaufelkran-

zes steigt die Umfangskomponente von diesem negativen Betrag bis zu einem bestimmten neuen positiven 20 Betrag an. Beim Durchströmen des Laufschaufelkran-

Die Erfindung betrifft eine Beschaufelung einer axial zes wird die absolute Umfangskomponente der Gedurchströmten Turbomaschine, bei der die Eintritts-und schwindigkeit auf Grund des Eulerschen Turbinensat-Austrittskante jeder Laufschaufel, in Achsrichtung ge- zes verarbeitet. Beim Verlassen des Laufschaufelkransehen, annähernd parallel verlaufen. zes hat diese Komponente wieder denselben negativen

In der Beschaufelung vieler axial durchström ter Turbo- 25 Betrag wie vor dem Leitrad, damit sich die nächste Stumaschinen führt das Arbeitsmedium eine schlängelnde fe wieder anschließen kann. Diese Änderung der UmBewegung in der Meridianebene aus als Folge der fangskomponente verursacht eine entsprechende Anperiodischen Änderungen der Umfangskomponente der derung der radialen Beschleunigung, welche bei kon-Strömungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen stantem Reaktionsgrad dieser Geschwindigkeitskom-Änderung der Zentrifugalkräfte. Diese schlängelnde 30 ponente proportional ist. Die radiale Beschleunigung Bewegung verursacht zusätzliche Energieverluste und ruft ihrerseits eine radiale Geschwindigkeitskomponenerschwert wegen der Beeinflussung der Anströmwinkel te und darauf eine radiale Verdrängung der Stromlinien die korrekte Auslegung der Schaufelprofile. in der Meridianebene hervor. Das ist die Erscheinung

Eine bekannte Gegenmaßnahme besteht darin, die der schlängelnden Bewegung.

Schaufel so zu verwinden, daß die Strömung mindestens 35 Die F i g. 1 und 2 zeigen eine Leitschaufel 1 einer in der axialen Richtung wirbelfrei ist Eine wirbelfreie Turbomaschine mit der Eintrittskante 3 und der Aus-Strömung kann unter gewissen Einschränkungen die Be- trittskante 4, ferner die Laufschaufel 2 mit der Eintrittsdingung des radialen Gleichgewichts ohne schlängelnde kante 5 und der Austrittskante 6. Die Eintritts- und Bewegung erfüllen, wie es beispielsweise aus der GB-PS Austrittskanten beider Schaufeln falten mit Radialen. 5 19 032 bekannt ist Diese Maßnahme hat den Nachteil, 4° d. h. durch den Mittelpunkt O gehenden Linien zusamdaß für Maschinen großen Volumendurchflusses und men.

damit großer Schaufelfächerung die Schaufeln sehr stark F i g. 3 zeigt schematisch in Kurve 21 den Verlauf der

verwunden sein müssen. Dies verteuert die Fabrikation radialen Beschleunigung eines Massenteilchens in einer

und ist aus Festigkeitsgründen nicht immer ausführbar. Es Stufe, hervorgerufen durch die aus der Umfangskom-

wurdedeshalbschonangeregt(DE-PS9 77 491),dieFrei- 45 ponente der Strömungsgeschwindigkeit entstehenden

Wirbelbeschaufelung wegen ihrer Nachteile zu vermei- radialen Kräfte. Die Kurve 22 veranschaulicht den Ver-

den. lauf der Geschwindigkeit und die Kurve 23 den Verlauf

Es ist auch schon versucht worden, die Schaufeln ge- der Verrückung in der radialen Richtung, wobei jeweils,

genuber der Radialrichtung schief aufzustellen. Die ra- so wie auch in den F i g. 4 und 5, die linke Hälfte eines

dialen Kräfte sollten die Zentrifugalkräfte kompensieren; 50 Diagramms den Verlauf im Leitschaufelkranz und die

diese Maßnahme erwies sich als unwirksam. rechte Hälfte den Verlauf im Laufschaufelkranz einer

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die schlän- Stufe darstellt. Die Abszissen sind jeweils die Durch-

gelnde Bewegung des Arbeitsmediums auf seinem Wege laufzeit eines Massenteilchens des Arbeitsmediums

durch die wirbelbehafteten Schaufeln einer Turborna- beim Durchströmen durch die Stufe. Diese Zeit ist. bis

schine und die dadurch verursachten Energieverlus-e 55 auf den Einfluß der Verengung wegen der Schaufeldik-

herabzusetzen. ke, dem axialen Abstand proportional, so daß die Kur-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, ve 23 gleichzeitig auch die in eine Meridianebene zydaß die Eintritts-und Austrittskante jeder Leitschaufel, in linderprojizierte Meridianstromlinie darstellt. Die Kur-Achsrichtung gesehen, vom Fuß der Leitschaufel gegen ven 22 und 23 entstehen durch ein- bzw. zweimalige den Kopf hin mindestens so stark zueinander geneigt sind, 60 integration der Kurve 21 mit den geeigneten Integradaß sie mit einer Radialen zusammenfallen. tionskonstanten. — Die obigen Ausführungen bedürfen

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform läßt sich einer Modifikation, wenn die endliche Schaufeldicke

dadurch erzielen, daß die Laufschaufeln entweder in der berücksichtigt werden muß.

Umfangsrichtung oder in der axialen Richtung breiter als Könnten alle Schaufeln »radial« ausgeführt werden, die Leitschaufeln sind. 65 wie die Schaufeln 1 und 2 der F i g. 1, so könnte außer

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes der durch den oben beschriebenen Strömungsvorgang

wird im folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es verursachten radialen Beschleunigung keine radiale

zeigt Schaufelkraft auf das Arbeitsmedium ausgeübt werden.