Axial durchströmte Leitung von ringförmigem Querschnitt mit Leitvorrichtung: t ,efrrenstand der vorliegenden Erfindung ist eine axial durchströmte Leitung von rin.- förinigem Querschnitt mit Leitvorrichtung zur Uderung des Dralles des Mediums.
Die Erfindung bezweckt vor allem, eine 1.eitvorriehtung so in der Leitung anzuord nen, dass das Medium gewünschten Bedin- riungen entsprechend durch die Leitung strömt.
Gemäss der Erfindunc erstreckt sieh jede Schaufel der Leitvorrichtung quer durch die l.citungr von der innern zur äussern Wand lind ihre Längsachse verläuft wenigstens zum Teil schräg zu einem von der Leitungsachse durch den Schnittpunkt der Längsachse mit der Innenwand führenden Radius, um dem die Leitvorrichtung clurchströnienclen hIediuni eine zur Leitungsachse radial gerichtete Cre- sehwindigkeitskomponente zu erteilen.
Bisher wurden die Leitschaufeln so ange- ordnet, dass ihre Längsachsen auf Linien lagen, die radial zur Leitungsachse verlaufen. In diesem Fall strömt das Fluidum annähernd ohne radiale Ablenkung durch den Leitappa rat, wenn nicht die Leitungswände selbst die Strömung radial beeinflussen.
Zufolge der grenanntcn Anordnung der Leitschaufeln kann einer Fluidströmung eine vorbestimmte radiale Geschwindigkeitskomponente erteilt werden, glas für verschiedene Zwecke vorteilhaft sein kann.
Wenn. zum Beispiel die Mittellinie eines Axialschnit.tes der Leitung im Bereich des Leitapparates eine Krümmung aufweist, kann durch Erzeugen solch einer radialen Geschwin digkeitskomponente in der Strömung erreicht werden, dass die Strömungsrichtung des Flui dums am Auslass des Leitapparates annähernd parallel zur Mittellinie des Leitungsschnittes stromabwärts des Leitapparates ist, wobei gleichzeitig ein übermässiges Zusammendrük- ken der Strömung durch die Leitungswände vermieden wird.
In gewissen Fällen kann der Strömung eine radiale Geschwindigkeitskom ponente erteilt werden, um die axiale Ge schwindigkeitsverteilung in der Strömung zu ändern. So kann zum Beispiel bei entspre chender Aasbildung des Leitapparates die Strömung so beeinflusst werden, dass sie in der Zone jener Leitungswand, gegen welche sie hineingelenkt wird, beschleunigt und in der Zone der andern Leitungswand verzögert. wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Er findungsgegenstandes besitzen die Schaufeln des Leitapparates geradlinige Längsachsen, so dass, wenn die Strömung überall mit gleicher Geschwindigkeit in den Leitapparat eintritt und wenn das Profil der Schaufel längs ihrer Längsachse ebenfalls überall gleich ist, die radiale Geschwindigkeitskomponente, die der Strömung erteilt wird, ebenfalls längs der Schaufellängsachse die gleiche ist.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel sind die Schaufellängsachsen gekrümmt, so dass die der Strömung erteilte radiale Geschwindig- keitskomponente sich längs der Sehaufelläng:s- achse ändert.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Schaufel derart ausgebildet, dass ihre Längsachse eine Anzahl sieh schneidender ge rader Linien enthält die zueinander geneigt sind. Zum Beispiel kann eine Schaufel zwei Abschnitte in Längsrichtung aufweisen, wobei die Längsachse jedes Abschnittes in bezug auf den von der Leitungsachse ausgehenden Ra dius geneigt ist. Der eine Abschnitt. besitzt zum Beispiel ein solches Profil, dass er in der Strömung eine radial nach aussen gerichtete Geschwindigkeitskomponente erzeugt, während der andere Abschnitt ein solches Profil besitzt, dass er der Strömung eine radial nach inneu gerichtete Geschwindigkeitskomponente erteilt.
Wenn der erstgenannte Abschnitt den Aussen teil der Schaufel bildet und der zweitgenannte Abschnitt den Innenteil, dann wirkt die Leit- vorriehtung im Sinne einer Erhöhung der axialen Geschwindigkeit im Bereich der Wände und kann dadurch zum Beispiel eine Neuver teilung des Gesamtdruckes in der Gasströmung bewirken, um Grenzsehiehtverluste stromauf wärts der Leitvorrichtung auszugleichen, wel- ehe Verluste sonst eine ungünstige Druckver teilung zur Folge haben können.
Wenn da gegen der erstgenannte Abschnitt den innern und der zweitgenannte Abschnitt, den äussern Schaufelteil bildet, wirkt die Leitvorrichtung im Sinne einer Erhöhung der Axialgeschwin- digkeit in der Mitte der Leitung und vermin dert diese Geschwindigkeit in der Wandzone.
Es ist zu bemerken, dass ein gleicher Effekt auch mit in Längsriehtung gekrümm ten Schaufeln erreicht werden kann.
Eine Änderung der Radialkomponente der Geschwindigkeit, die durch die Schaufel er zeugt wird, kann auch durch Ändern des Pro fils der Schaufel, entweder durch Verwinden der Schaufel und/oder durch Ändern des Quer schnittes längs der Längsachse der Schaufel erreicht werden.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind Leitvorrichtungen in Leitungen für gasförmige Medien, wie sie zurr Beispiel als Arbeitsmedium in Achsialkom- pressoren oder -turbinen verwendet werden.
In solchen Anlagen werden üblicherweise sta tionäre Schaufelkräuze verwendet, wobei jeder Schaufelkranz eine Leitvorriehtun- in einer Leitung bildet, um dem Arbeitsmedium eine Drallkomponente zu erteilen, um zum Beispiel zu gewährleisten, dass der Einfallwinkel des Arbeitsmediums am rotierenden Selraufelkranz einen gewünschten Wert besitzt,
oder uni einen bestimmten Auslasswinkel der Strömung aw Kompressor- oder Turbinenauslass zu erhalten.
Wenn zum Beispiel die Leitung einen Diffusorteil besitzt, dessen Axia.lquerselinitt eine zur Mittellinie des stromaufwärts des Diffusorteils liegenden Leitungsteils geneigte Mittellinie aufweist, kann die Leitvorriehtun g am Einlass des Diffusorteils vorgesehen sein, um zu erreichen,
dass keine unzulässige Ein schnürung der Strömung durch eine Wand der Leitung mit entsprechend verringerter Einsehnürnng durch die andere Wand der Leitung.
Die Leitvorriehtun- kann als stationärer Leitschaufelkranz einer Turbine oder eines Kompressors ausgebildet sein. Zum Beispiel kann bei einem Axialkompressor der Leit- sehaufelkranz am Einlassende des Kompressors angeordnet sein, um dort in der Strömung eine nach aussen gerichtete Geschwindigkeits komponente zu erzeugen,
zwecks Besehleuni- gung der Gasströmung in Axialrielitun- ini Bereich der Aussenwand der Leitung. Die beschleunigte Strömung kann ein Abreissen der Strömung an den Rotorscha.ufeln bei klei nen Rotordrehzahlen des Kompressors ver meiden helfen, wobei die Leitschaufeln ein stellbar sein können,
zwecks Änderung der von ihnen im Arbeitsmedium erzeugten Pa- dialgeschwindigkeitskomponente, in Abhängig keit von der wirklichen Drehzahl, der korri gierten Drehzahl oder einem Faktor, der seinerseits von den genannten Kompressordreli.- zahlen abhängt.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Er findung sind Leitseliaufelkränze von Koiii- pressorzwisehenstufen, wo die Neigung der Sehaufellängsaehsen, wenn gerade oder ge- krümmte Schaufeln verwendet werden, zur :Änderung der AYialgeschwindigkeitsvertei- lung in der Leitung herangezogen werden kann.
Schaufeln mit gekrümmten Längsachsen können am Auslass eines AYialkompressors vorgesehen sein, um die Umlenkung des Glases liings der Innen- und Aussenwände eines Diffiisors zu unterstützen, um so eine Ab lösung zu vermeiden und den Diffitsorwir- kun ;rsgrad zu erhöhen.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind in beiliegender Zeich nung dargestellt.
Fig. 1. zeigt ,schematisch in teilweisem Axialsehnitt einen Teil einer Gasturbinenan- lagre.
Fig. ? ist. in grösserem -Massstab eine Ein zelheit aus Fig.1.
Fig. 3 ist eine Ansicht von links in Fig. 2. Fig. 4 ist ein Schnitt nach der Linie 4-4 itt Fig.3.
Fi-. 5 Lind 6 sind Ansichten weiterer Aus- tührungsbeispiele.
Fig. 7 Lind 8 zeigen noch zwei weitere Bei spiele des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 9,1 ist ein Schnitt nach der Linie 9-9 in Fig.8.
Fig. 9B ist ein Schnitt gemäss Fig. 9z1 einer Variante.
Fig.10 und 11 zeigen zwei weitere Aus- I'iihrungsbeispiele.
Fig. 12 < l ist. ein Schnitt nach der Linie 12-12 in Fig. 11, und Fig.12B ist ein Schnitt gemäss Fig.12A einer Variante.
In Fig.1 ist ein Teil einer Gasturbinen- anlage im Axialschnitt dargestellt. Die Gas t urbinenanlage besitzt. einen Axialkompressor <B><U>'</U></B>0, einen Auslassabschnitt 21 für komprimierte Luft und eine Verbrennungseinrichtung 22, welche an den Auslassabschnitt 21 angeschlos sen ist.
Der Kompressor 20 besitzt ein Aussen.- riehäuse 20a, welches eine Anzahl von Leit- sehaufelkränzen 23 trägt und ferner eine Ro- lorti-otnntel 20b, die eine Anzahl Laufschau felkränze 24 trägt.
Das Arbeitismedium der Anlage durch strömt. einen Kanal von ringförmigem, Quer- schnitt., der eine erste Zone aufweist, die durch eine Innenwand und eine Aussenwand begrenzt wird. Die Innenwand wird durch die Oberfläche der Rotortrommel 20b gebildet und die Aussenwand durch das Gehäuse 20a des Kompressors. Ferner besitzt der Kanal eine zweite Zone, die an die erste Zone an schliesst und durch eine Innenwand 21b und eine Aussenwand 21a begrenzt. wird, und eine durch die Verbrennungseinrichtung 22 gebil dete dritte Zone, die von bekannter Ausbil dung ist.
Das Arbeitsmedium wird in der Verbrennungseinrichtung 22 erhitzt und strömt durch eine nicht gezeichnete Turbine, die den Kompressorrotor mittels einer Welle 25 antreibt.
Die Quersehnittsfläehe des ringförmigen Arbeitskanals nimmt gewöhnlich in der Strö- mungsrichtung des Arbeitsmediums im Kom pressor ab und beim Beispiel gemäss Fig. 1 sind sowohl das Kompressorgehäuse 20a, als auch die Oberfläche der Rotortrommel 20b kegelstumpfförmig ausgebildet und so ange ordnet, dass der Kanal in Strömungsrichtung konvergiert, wobei das Ende mit grösserem Durchmesser des einen Teils am Ende mit kleinerem Durchmesser des andern Teils liegt.
Der Auslassabschnitt 21. des Kompressors divergiert wie Fig. 2 zeigt, in Str'timungsrich- tung des Arbeitsmediums in der Anlage, wobei die Innenwand 21b annähernd zylindriselt und die Aussenwand 21a kegelstumpfförmig und mit ihrem Ende mit grösserem Durch messer stromabwärts gerichtet. angeordnet ist.
Aus Fig.l geht hervor, dass die Mittel linie 26 der ersten Zone des Arbeitskanals parallel zur Achse 27 der Anlage ist, während die #Ivlittellinie 28 des Auslassabschnittes 21 des Kompressors mit der Achse 27 einen Win kel einschliesst.
Zufolge der genannten Ausbildung ver sucht die vom Kompressor 20 in den Auslass- abschnitt 21 geförderte Luft durch den letz teren unter einem Winkel zur Mittellinie 28 zu strömen, was eine Beschleunigung der nahe der Innenwand 21b strömenden Luft und eine Verzögerung der nahe der Aussenwand 21a strömenden Luft zur Folge hat. Dieser Effekt setzt den Diffusorwirkungsgrad des Ausla.ss- a.bselniittes 21 herab.
Zur Verbesserung des Diffusoreffektes kann die in den Fig. 2 bis .1 (gezeigte Aus bildung vorgesehen sein.
Die üblichen Radial- schaufells-ränze am Kompressorauslass sind durch einen Kranz von Schaufeln 29 ersetzt, die derart angeordnet. sind, dass sie zusätzlich zum Aufheben des Dralls des eintretenden Arbeitsmediums dieser Strömung eine radiale Geschwindigkeitskomponente erteilen, so da[.', die die Leitvorrichtung verlassende Luft an nähernd parallel zur Mittellinie 28 des Aus lassabschnittes 21 strömt.
Diese Wirkung- ist durch die Pfeile 30, 31 und 32 angedeutet, wobei die Pfeile 30.die Axialgesehwindigkeit anzeigen, mit welcher die Luft. den Anslass des Kompressors 20 verlässt;
31 zeigt die Radial- 'esehw-indigkeit an, welche dem die Schaufeln 29 der Leitvorrichtung passierenden Luft strom erteilt. wird und die Pfeile 32 zeigen die resultierende Strömung des A rbeitsme- diums an, und zwar sowohl bezüglich ihrer Stärke als auch ihrer Richtung.
Beim vorliegenden Beispiel besitzen die Schaufeln 29 der Leitvorrichtung geradlinig verlaufende Längsachsen 29a,, während die Schaufeln 29 so geformt sind, dass ihre Längs- achsen 29a nicht, wie üblich, mit einem Ra dius 29b zusammenfallen, der von der Achse 27 der Maschine aus durch einen Punkt ge zogen ist, an welchem das wurzelseitige Ende der Längsachse 29a die Innenfläelie des Ar beitsringkanals schneidet,
sondern zum Radius \?9b geneigt angeordnet. sind. Wie besser in Fig. 4 ersichtlich, besitzen die Schaufeln 29 alle Flügelprofil und ihr Querschnitt. kann entweder über die ganze Schaufellänge kon stant sein, oder er kann so variieren, dall eine Variation der radialen Geschwindigkeits komponente erhalten wird.
Die Schaufeln 29 können in irgendeiner bekannten Weise in ihrer Lage festgehalten sein. So sind sie zum Beispiel beim vorliegen den Beispiel an beiden Enden mit. Endplatten 33 versehen, die im Umfangssinn aneinander- stossen und durch vorspringende Schultern 34 festgehalten sind, welch letztere durch Ausnehniungen in den Wandungen des Ar beitskanals gebildet sind.
Beim Beispiel gemäss den Fig!-. :> und 6 sind ähnliche Schaufeln, wie beim Ausfüli- rungsbeispiel gemäl;') den Fi-. 2 bis -1 vorge sehen, uni eine Neuverteilung der Axialge- scliwindigkeit in einem Durehströmkanal zii erreichen, der konstanten Querschnitt besitzt.
Zufolge der radialen Geschwindigkeitskom- ponente, die dem Arbeitsmedium beine Dureli- strörnen der Leitvorrichtung- mit den S(Aiau- feln 29 erteilt wird, kann erreicht werden, dass ein Arbeitsmedium, das am Eintritt des Abselinittes 21 eine Geschwindigkeitsvertei- lung besitzt, wie sie durch die Pfeile 35 an gedeutet ist, an einer Stelle längs der Lei- tunI,
die durch die gestrichelte Linie 37 iin- gedeutet ist, eine (-,esewindi\pl:eit:sverteilung besitzt., wie sie die Pfeile 36 anzeigen. Es ist ersichtlich, dass das Arbeitsmedium nahe der Aussenwand 121a. des Abschnittes besehlennigt und dasjenige nahe der Innenwand 121 ver zögert wird. Es ist zu bemerken, dass diese Anordnung;, welche eine -Ncuvei-teilung;
der Axialgesehwindigkeit zur Folge hat, so-,voli! bei divergierenden als auch bei konvergieren den Leitungen voryeselien sein kann.
Eine Leitvorriehtun-, wie sie in deii Fig.5 und 6 dargestellt ist, wird vorteilhaft in einer oder mehreren Einlassstufen des Kom- pressors vorgesehen. Zum Beispiel können die Leitschaufeln 23 in der -Art der Schaufeln 29 ausgebildet.
und angeordnet sein, wobei ihre Längsachsen zu den entsprechenden Radien von, der llasehinenaelise aus reiiei-t sind.
@o dass die Geschwindigkeit des Arbeitsmediums nahe den Spitzen der Rotorsehaufeln dieser Stufen erhöht wird. Es ist zu bemerken, daV) in diesen Stufen die Leitung konvergent ist. während gleichwohl eine Neuverteilung der (-r'eseliwindi-keit, wie beim Beispiel @geniäL'@ Fig. 5 erzielt, werden kann.
Das Beispiel gemäss den Fig. 7, 8 und !)_1. gleicht dem vorangehend an Hand der Fig. 2 bis 4 beschriebenen Beispiel. Die Wände 221 (r, 221b des Au slassabsehnittes 21 begrenzen auch hier einen divergierenden Kanal, ,so dass dieser Abschnitt als Diffusor wirkt (Fig.7). Jede Schaufel 229 besitzt. Flügelprofil und ihre l.ängsaelisen enthalten eine Mehrzahl von ge radlinigen Abschnitten, die zueinander geneigt. sind.
Beim dargestellten Beispiel =erden die Län @rsaehsen der Schaufeln, wie am besten in Fig.8 ersichtlich, durch zwei Abschnitte 229(r. und 229b gebildet., wobei jeder dieser Alisehnitte zum Radius 29b geneigt ist. Die Seliaufeln 229 sind somit geknickt, wobei die äussere und die innere Hälfte einer Schaufel annähernd gleich lang sind.
Die Schaufeln besitzen bei diesem Beispiel (las in Fig.M gezeigte Profil, wobei die äussere Hälfte jeder Schaufel dem sie passierenden Arbeitsmedium eine radial nach aussen geriehtete Geseliwin- diokeitskomponente erteilt, während dem die innere Sehaufelhä.lfte passierenden Arbeits- inedium eine radial nach innen gerichtete Ge- seliwindig-keitskomponente erteilt.
wird, so dass, wenn die (esehwindigkeitsverteilung im Ar- beitsniediuin am Eintritt der die Leitsehau- fein 229 aufweisenden Leitvorrielitung durch die Pfeile 230 gegeben ist, die Gesehwindig- keitsverteilung am Auslass der Leitvorrieh- tting durch die Pfeile 232 dargestellt werden kann, wobei die äussern Pfeile bezüglich der innern Pfeile divergieren.
Die geknickte Form der Schaufel 229 kann ebenfalls zum Erreiehen einer Neuver teilung der Geschwindigkeit in einem Kanal verwendet werden. Wenn zum Beispiel das nahe der Mittellinie der Leitung strömende Medium beschleunigt und das nahe den Wän den strömende Medium verzögert, werden soll, dann wird der geknickten Schaufel 229, das in Fig.9B -zeigte Profil gegeben werden, so (lass die \äussere Hälfte der Schaufel dem Arbeitsmedium eine radial einwärts gerichtete und die innere Hälfte der Schaufel eine radial auswärts gerichtete Gesehwindigkeits- komponente erteilt.
Die Fiu. 10 bis 12.1 zeigen ein weiteres :Ansfiihrungsbeispiel, mit. dessen Leitvorrieh- tnng eine Änderung der Radia.lgeschwindig- keitsverteilung in der Leitung erzielbar ist.
_Ani Einlass des Auslassabschnittes, der aus Gründen der Einfachheit mit konstantem Querschnitt gezeichnet ist, ist eine Leitvor- richtung angeordnet,
die eine Anzahl von Sehaufeln 329 mit gekrümmter Längsachse 329a aufweisen. Zufolge dieser Ausbildung erzeugen die Schaufeln im Arbeitsmedium an jeder Stelle längs ihrer Achse eine andere radiale Gesehwindigkeitskomponente. Wenn zum Beispiel die Gesehwindigkeitsverteilung am Einlass der die Schaufeln 329 aufweisen den Leitvorrichtung den Pfeilen 330 ent spricht und eine auf der Höhe der gestrichel ten Linie 331 durch die Pfeile 332 angedeu tete Geschwindigkeitsverteilung erreicht wer den soll,
unter gleichzeitigem Umlenken des Gases gegen die innere und äussere Wand 121a lind 121b, wobei ein Ablösen der Strö mung an den Wänden verhindert und der Diffusorwirkungsgrad verbessert werden soll, dann erhalten die Schaufeln zweckmässig das in Fig.12A gezeigte Profil. In diesem Fall erteilt der äussere Teil jeder Schaufel dem Arbeitsmedium eine radial auswärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente und der innere Schaufelteil eine radial einwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente.
Eine Anord nung, welche eine Geschwindigkeitsverteilung ergibt, wie sie in Fig.10 ersichtlich ist, wird zweckmässig in einem Kompressor, zum Bei spiel wie er bei 20 gezeigt ist, verwendet, indem die Leitschaufeln einer oder mehrerer Zwischenstufen eines Kompressors gekrümmt ausgebildet werden, wie die Schaufeln 329, um eine unerwünschte Geschwindigkeitsver teilung zu korrigieren, die sich zufolge von Grenzsehiehtwirkungen eingestellt haben kann.
Wenn anderseits im Gegensatz zum Bei spiel gemäss Fig. 10 das Arbeitsmedium nahe der Mittellinie der Leitung beschleunigt und nahe den Wänden der Leitung verzögert wer den soll, können zwar gekrümmte Schaufeln gleich den Schaufeln 329 verwendet werden, jedoch mit einem Profil, wie es in Fig.12B gezeigt. ist. Dies hat zur Folge, dass die innern Schaufelteile dem Arbeitsmedium eine radial auswärts gerichtete Geschwindigkeitskompo- nente und die äussern Schaufelteile eine ra dial einwärts gerichtete Geschwindigkeitskom- ponente erteilen.