Turbomaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine, deren Schaufeln in verschie denen , Querschnitten verschiedene Profile aufweisen. Die Erfindung isst dadurch ge kennzeichnet, dass das Profil in jedem Quer schnitt der Schaufel mindestens annähern so geformt ist, dass :das Produkt aus Auftriebs beiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe für .diesen Querschnitt einen Wert besitzt, bei ;dem Sekundärströ mungen verhindert werden. Dadurch soll eine gleichmässige G eschwindigkQitsvertei- lung über die Breite zwischen Trommel und Gehäuse erreicht werden.
Die Strömungsverteilung in den Strö mungskanälen zwischen den. Schaufeln einer Turbomaschine - sei es eine Turbine oder ein Verdichter - erfährt durch eine Reihe äusserer Einflüsse in. der Weise Störungen, dass die Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Maschinenachse an verschiede nen Stellen des Kanalquerschnittes sehr un- terschiedliche Grössen aufweisen. Als Sekun därströmung wird diejenige Strömung be zeichnet, die einer gleichmässigen Strömungs verteilung überlagert werden muss, um .die im Beharrungszustand sich einstellende Strö- mung zu erhalten.
Sekundärströmungen kön nen durch eine Reihe von Voraussetzungen bedingt sein. Sie entstehen zum Beispiel in folge des Einflusses von Grenzschichten, die an :den Wänden .der Schaufelkanäle entstehen. Die Zentrifugierung,der Strömung in,den um die Läuferachse sich drehenden Strömungs kanälen der Laufkränze erzeugt ebenfalls eine wesentliche Beeinflussung der Geschwin digkeitsverteilung. Auch die Reibung an der sich drehenden Trommel vermag die Strö mung in erheblichem Mass zu beeinflussen. Als Folge solcher Sekundärströmungen er geben sich Wirbelablösungen insbesondere an den Schaufeln.
Diese Wirbel erzeugen erheb liche induzierte Widerstände, welche den Gesamtwirkungsgrad er Turbomaschine ver schlechtern. ' Der Auftrieb _1 einer Schaufel lässt sich nach der folgenden Beziehung ermitteln: <I>A --- p</I> T' I' <I>l</I> Hierin bedeutet p die Dichte des Strömungs mittels, T' die mittlere Strömungsgeschwin digkeit im Schaufelkanal. I' die Zirkulation des Profils und 1 ,die Länge der Schaufel.
Die Zirkulation
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!'t. stellt das erwähnte Produkt aus Auftriebsbeiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindig keit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe dar. Für Vergleichszwecke kann der konstante Faktor i;, fallengela.ssen werden.
Der Auftrieb ist die Kraft, die die Schau fel auf das Strömungsmittel rechtwinklig züi dessen Fliessrichtung ausübt, um letztere zu ändern. Die Leitschaufeln bewirken nur eine Änderung der Fliessrichtung; die Laufschau feln führen dem Strömungsmittel eine dem Produkt aus Kraftkomponente in Umfangs richtung und ihrer Eigengeschwindiglzeit ent sprechende Leistung zu oder entziehen sie ihm, je nachdem, ob es Verdichter- oder Tur- binenlaufscha.ufeln sind.
Durch Änderung des Auftriebes A kann das Strömungsmittel mehr oder weniger um gelenkt werden oder demselben mehr oder weniger Energie zugeführt bezw. entzogen werden. Durch geeignete Veränderung des Auftriebes kann den Sekundärströmungen entgegengewirkt werden und dadurch eine gleichmässigeG.eschwindigkeitsverteilung über den Sühaufelkanälen erreicht werden.
Die Änderung des Auftriebes einer Schaufel in .einer gegebenen Strömung geschieht durch Änderung des Produktes Ca.I't. Da. T' gege ben ist, können nur die Werte für<I>Ca</I> und für <I>t,</I> geändert werden.<I>Ca</I> wird durch Änderung der Wölbung des Profils oder Änderung des Anstellwinkels oder Änderung beider Grössen gleichzeitig geändert. Die Änderung der Schaufeltiefe t ist gleichbedeutend mit. einer Änderung der Schaufelfläche.
Die Zeichnung zeigt Ausfiihrtingsbei- spiele der Erfindung. Fig. 1, 2 und 3 zeigen im Aufriss bezw. im Seitenriss die Schnitte I-I, 11-II und III-111 durch einen Teil eines Schaufelgit ters.
Die gemäss der Erfindung notwendige Grösse des Produktes aus Auftriebsbeiwert, rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungs geschwindigkeit im Schaufelkanal und Schaufeltiefe ist in Fig. 4 bis 1.1 für ver schiedene Schaufeln von Turbomaschinen je in einem Diagramm dargestellt, in \welchem als Abszisse die Schaufellänge l und als Or dinate das Produkt CaT't aus Auftriebsbei wert<I>Ca,</I> rechnerisch ermittelter mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Schaufelkanal T' und Schaufeltiefe t. gewählt ist.
In den Diagrammen entspricht die Abszisse G der Begrenzung durch die Crehäusewand und die Abszisse T der Begrenzung durch die T'rom- meloberfläche. Die Schaufeln 1 und ? des Schaufelgitters narb Fig. 1, ? und 3 führen eine Strömung,
welche in Richtung der Achse 3 durch das Gitter hindurchtritt. Die Schaufellänge be sitzt den Wert L. während die Schaufeltiefe an der Stelle des Schnittes III-III den Wert <I>t,</I> und der Auftriebsbeiwert die Grösse<I>Ca</I> be sitzt. Die Strömungsgeschwindigkeit T' längs einer senkrecht zur Achse 3 stehenden Gera den G soll an allen Stellen dem theoretischen <I>Wert</I> entsprechen, um Sekundärströmungen und dadurch induzierte Widerstände zti ver meiden.
Handelt es sich um eine Leitschaufel oder um eine Turbinenlaufschaufel, so muss gemäss Fig. 4 der Wert für das Produkt CaVt nach beiden Begrenzungsflächen G und T hin klei ner werden; er kann hierbei im Grenzfall bis auf den Wert 0 abfallen.
Die Enden einer Leitschaufel, welche die Strömung umlenken sollen, werden von einer Strömung getroffen, die infolge der Reibung ,in den Gehäuse- und Trommelwänden ver zögert wurde und weniger Energie enthält als die ungestörte Strömung. Zu ihrer Umlenkung uni einen gewünschten Winkel genügt eine geringere Kraft. Der Wert CaVt kann klei ner gewählt werden als im mittleren Teil der Schaufel. Wäre CaVt an den Schaufelenden gleich gross wie in der Mitte, so würde die Umlenkung an der Randströmung zu stark.
Entsprechend muss auch bei der Turbinen schaufel, die dem Strömungsmittel Energie entzieht, der Energieentzug an den Schaufel enden kleiner ;sein als in der Mitte, um die Wandgrenzschieht nur wenig oder gar nicht zu verzögern.
Bei Verdiehterlaufsehaufeln muss wie in Fig. 5 das Produkt CaYt gerade umgekehrt wie im vorerwähnten Fall gegen die Begren zungsfläche G und T hin zunehmen, um eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung in den Strömungskanälen zwischen Trommel und Gehäuse zu sichern. Eine Verdichterlauf- schaufel führt dem Strömungsmittel Energie zu.
Um die Grenzschichtdicke an der Trom mel- und Gehäusewand klein zu halten, muss dort .dem Strömungsmittel mehr Energie zu geführt werden als in der Mitte der unge störten Strömung. Aus diesem Grund muss der Wert CaT't an den Schaufelenden ansteigen.
Soll bei den in Fig. 4 und 5 dargestellten Verhältnissen gleichzeitig auch noch der Ein fluss der Zentrifugzerung des strömenden Kit tels berücksichtigt werden, so muss der Wert für das Produkt CaT't gemäss den Fig. 6 und 7 im mittleren Bereich von der Gehäusebe grenzung gegen die Trommelbegrenzung bei Turbinenleit- und -lauf- und bei Verdichter leitschaufeln abnehmen, bei Verdichterlauf- echaufeln zunehmen.
Infolge der 7,entri- fugierung der Laufsehaufelgrenzschichten nimmt die durchfliessende Menge und damit die axiale Strömungsgeschwindigkeit von der Trommel gegen das Gehäuse hin zu. Um eine salehe ungleichmässige Verteilung auszuglei chen, müssen die Turbinenschaufeln aussen mehr Energie entziehen bezw. die Verdichter laufschaufeln weniger Energie zuführen. Leitschaufeln zur Umlenkung der energie reicheren Strömung müssen aussen eine grö ssere Kraft aufbringen als innen.
Es kann weiter auch noch, wie in Fig. B bis 11 gezeigt, der Einfluss des Mitlaufens der Grenzschicht an der rotierenden Trommel berücksichtigt werden. Bei einer Turbinen laufschaufel imuss dann gemäss Fig. 8 :der Wert.
des Produktes CaVt in ,der Nähe der Trommel (T) erst etwas ansteigen, ehe er auf den nie-d- rigen Wert abfällt, denn die Bewegung der Trommel zieht die Grenzschicht entgegenge- setzt zu der Richtung, die ihr von den Lauf- schaufeln erteilt werden soll, weshalb die Wirkung der Laufseh.aufelndort -verstärkt werden muss.
Bei Turbinenleitschaufeln ist,dem Produkt Cay <I>t</I> gemäss Fig. 9 schon vor der Trommel oberfläche eine grössere Einknickung zu er teilen, um eine gleichmässige Geschwindig- keitsverteilung zu sichern, weil .die Trommel ,die Grenzschicht ohnehin in die Richtung zieht, .die ihr von den Leitschaufeln erteilt werden soll.
Bei Verdichterleitsehaufeln muss, wie in Fig. 10 gezeigt, ähnlich wie bei Turbinen laufsehaufeln vor dem Abfall zuerst eine ge wisse Erhöhung des Wertes für das Produkt CaVt angewendet werden, weil die Trommel ,die Grenzschicht entgegengesetzt zur Rich tung zieht, in die sie von den Leitschaufeln gebracht werden soll.
Schliesslich muss der Wert für das Pro dukt CaVt bei Verdichterlaufsehaufeln, wie aus der Fig. 11. ersichtlich, in geringem Mass ansteigen, wenn,der Einfluss der sich drehen den Trommelgrenzfläche noch berücksichtigt werden ,soll, weil die Trommel die Grenz- sohicht in dieselbe Richtung zieht, die ihr von den Laufschaufeln erteilt werden soll.
Bei radialen Turbomaschinen wird die Grenzschicht an den Scheiben zentrifugiert. Bei zentrifugaler Durchströmung enthält die Strömung deshalb in der Grenzschicht mehr, bei zentripetaler Durchströmung weniger Energie als in,der ungestörten Mitte der Strö mung.
Deshalb ist im ersten Falle bei einer Verdichter- bezw. Pumpenlaufschaufel das Produkt CaYt nach Fig. 4 zu wählen, bei einer Turbinenlaufschaufel und bei Turbi nen- und Verdichterleitschaufeln nach Fig. 5. Bei zentripetaler Durcbsträmung sind die Verhältnisse gerade umgekehrt.
Turbo engine. The invention relates to a turbomachine, the blades of which have different profiles in different cross-sections. The invention is characterized in that the profile in each cross-section of the blade is shaped at least approximately so that: the product of the lift coefficient, the calculated mean flow velocity in the blade channel and the blade depth has a value for this cross-section at; the secondary flow mings are prevented. This is intended to achieve a uniform speed distribution across the width between the drum and the housing.
The flow distribution in the flow channels between the. The blades of a turbo machine - be it a turbine or a compressor - are disturbed by a number of external influences in such a way that the speed components in the direction of the machine axis have very different sizes at different points on the channel cross-section. The secondary flow is that flow which has to be superimposed on a uniform flow distribution in order to maintain the flow that is established in the steady state.
Secondary flows can be caused by a number of conditions. They arise, for example, as a result of the influence of boundary layers that arise on: the walls of the blade channels. Centrifugation, the flow in the flow channels of the running rings rotating around the rotor axis also have a significant influence on the speed distribution. The friction on the rotating drum can also influence the flow to a considerable extent. As a result of such secondary flows, vortex shedding occurs, especially on the blades.
These eddies generate considerable induced resistances, which worsen the overall efficiency of the turbomachine. 'The buoyancy _1 of a blade can be determined according to the following relationship: <I> A --- p </I> T' I '<I> l </I> Here p means the density of the flow by means of' T 'die mean flow velocity in the blade channel. I 'the circulation of the profile and 1, the length of the blade.
The circulation
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! 't. represents the product of the buoyancy coefficient, the calculated mean flow velocity in the blade channel and the blade depth. For comparison purposes, the constant factor i ;, can be dropped.
The buoyancy is the force that the blade exerts on the fluid at right angles to its direction of flow in order to change the latter. The guide vanes only change the direction of flow; The blades supply the fluid with a power that corresponds to the product of the force component in the circumferential direction and its own speed or withdraw it from it, depending on whether it is compressor or turbine blades.
By changing the buoyancy A, the fluid can be deflected more or less or supplied with more or less energy respectively. be withdrawn. By changing the buoyancy appropriately, the secondary currents can be counteracted, thereby achieving an even distribution of speed over the bucket channels.
The change in the buoyancy of a blade in a given flow occurs by changing the product Ca.I't. There. T 'is given, only the values for <I> Ca </I> and for <I> t, </I> can be changed. <I> Ca </I> is achieved by changing the curvature of the profile or changing of the angle of attack or changing both parameters at the same time. The change in the bucket depth t is synonymous with. a change in the blade area.
The drawing shows exemplary embodiments of the invention. Fig. 1, 2 and 3 show respectively in elevation. in the side elevation, the sections I-I, 11-II and III-111 through part of a shovel grate.
The required size of the product of the lift coefficient, computationally determined mean flow velocity in the blade channel and blade depth according to the invention is shown in a diagram in Fig. 4 to 1.1 for different blades of turbomachinery, in which the blade length l is the abscissa and Or dinate the product CaT't from the buoyancy coefficient <I> Ca, </I> calculated mean flow velocity in the blade channel T 'and blade depth t. is chosen.
In the diagrams, the abscissa G corresponds to the delimitation by the Crehäusewand and the abscissa T corresponds to the delimitation by the T'romel surface. The blades 1 and? of the blade grille scar Fig. 1,? and 3 lead a current,
which passes through the grid in the direction of the axis 3. The shovel length has the value L. while the shovel depth at the point of section III-III has the value <I> t, </I> and the lift coefficient has the value <I> Ca </I>. The flow velocity T 'along a straight line G perpendicular to the axis 3 should correspond to the theoretical <I> value </I> at all points in order to avoid secondary flows and the resistance induced thereby.
In the case of a guide vane or a turbine rotor blade, according to FIG. 4, the value for the product CaVt must become smaller after both boundary surfaces G and T; in borderline cases it can drop to the value 0.
The ends of a guide vane, which are to deflect the flow, are hit by a flow that was delayed due to the friction in the housing and drum walls and contains less energy than the undisturbed flow. A smaller force is sufficient to deflect it at a desired angle. The value CaVt can be chosen smaller than in the middle part of the blade. If CaVt were the same size at the blade ends as in the middle, the deflection at the edge flow would be too strong.
Correspondingly, with the turbine blade, which extracts energy from the fluid, the energy extraction at the blade ends must be smaller than in the middle, in order to delay the wall boundary only slightly or not at all.
In the case of twisted runner blades, as in FIG. 5, the product CaYt must increase in the opposite direction to the limiting surface G and T in the above-mentioned case in order to ensure a uniform velocity distribution in the flow channels between the drum and the housing. A compressor blade adds energy to the fluid.
In order to keep the boundary layer thickness on the drum and housing wall small, more energy must be supplied to the fluid there than in the middle of the uninterrupted flow. For this reason, the value CaT't must increase at the blade ends.
If in the conditions shown in Fig. 4 and 5, the influence of centrifugation of the flowing kit should also be taken into account, the value for the product CaT't according to FIGS. 6 and 7 must be in the middle of the housing limit decrease against the drum limitation for turbine guide and rotor blades and for compressor guide vanes, increase for compressor rotor blades.
As a result of FIG. 7, defugation of the blade boundary layers, the amount flowing through and thus the axial flow velocity from the drum towards the housing increases. In order to compensate for an uneven distribution, the turbine blades must draw more energy from the outside, respectively. the compressor blades supply less energy. Guide vanes for deflecting the energy-rich flow must exert a greater force on the outside than on the inside.
In addition, as shown in FIGS. B to 11, the influence of the boundary layer running along on the rotating drum can also be taken into account. In the case of a turbine blade I must then according to FIG. 8: the value.
of the product CaVt in, in the vicinity of the drum (T) first rise a little before it drops to the low value, because the movement of the drum pulls the boundary layer in the opposite direction to the direction it takes from the rotor blades should be granted, which is why the effect of the Laufseh.aufelnort must be reinforced.
In the case of turbine guide vanes, the product Cay <I> t </I> according to FIG. 9 is to be given a larger kink in front of the drum surface in order to ensure an even distribution of speed, because the drum, the boundary layer, is anyway in the The direction that it should be given by the guide vanes.
In the case of compressor guide vanes, as shown in FIG. 10, similar to turbine blades, a certain increase in the value for the product CaVt must first be applied before the waste, because the drum pulls the boundary layer opposite to the direction in which it moves from the Guide vanes should be brought.
Finally, the value for the product CaVt for compressor rotor blades, as can be seen in FIG. 11, has to increase slightly if the influence of the rotating drum interface is still to be taken into account, because the drum makes the boundary layer in the same The direction to be given by the blades.
In radial turbomachines, the boundary layer is centrifuged on the disks. With centrifugal flow, the flow therefore contains more energy in the boundary layer, with centripetal flow less energy than in the undisturbed center of the flow.
Therefore, in the first case with a compressor or Pump rotor blade to choose the product CaYt according to FIG. 4, with a turbine rotor blade and with turbine and compressor guide blades according to FIG.