Verfahren zur Verringerung des Energieverlustes der Strömung durch ein Schaufelgitter Das Patent bezieht sich auf ein Ver fahren zur Verringerung des Energiever lustes der Strömung durch ein Schaufelgitter mit Tragflügelprofilschaufeln, insbesondere durch Schaufelkränze von Turbinen. Es be zieht sich ferner auf eine Sehaufelung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Da letztere ist dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen zwei Schaufeln unter Bildung von Rand zonenwirbeln hindurchströmende Medium in einer ersten Zone des von den Schaufeln be grenzten Kanals bei gerader, in Richtung der Anströmung des Gitters erfolgender Strö mung beschleunigt und darauf in der an schliessenden Zone des Kanals von dieser ge raden Richtung umgelenkt wird.
Die Schau- felung zeichnet sich dadurch aus, dass das Schaufelprofil derart ausgebildet ist, dass die Profildicke von der Profilnase an stetig bis zu einem Höchstmass zunimmt, um dann all mählich wieder abzunehmen, derart, dass zwi schen zwei Schaufeln ein im wesentlichen ge rader; sich verengender und in Richtung der Anströmung des Gitters gelegener Kanal ent steht, der dann beim allmählichen Abnehmen der Profildicke in einen gekrümmten Kanal. übergeht.
In der nachfolgenden Beschreibung wird an Hand der Zeichnung, in der die Fig 1 und 2 die Vorgänge beim Hindurchst-römen eines Mediums durch ein Schaufelgitter und die Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Schaufeln wiedergibt, das Verfahren beispielsweise er läutert.
Sobald eine Strömung innerhalb eines Ka nals abgelenkt wird, entstehen bekanntlich die sogenannten Sekundärwirbel. Fig. 1 veran- sehaulieht diesen Vorgang. Das Strömungs mittel strömt durch einen gekrümmten Kanal, der durch die beiden Wände 1 und 2 gebildet ist. Im zuströmenden Strömungsmittel ist nun bekanntlich die Geschwindigkeit niemals völ lig gleichmässig verteilt, sondern sie fällt stets nach den Wandungen hin gegen Null ab. Es besteht also ein sogenanntes Geschwindigkeits profil, welches durch die Pfeile 3 angedeutet ist.
Innerhalb einer wandnahen Zone von der Dicke 8, der sogenannten Grenzschicht, ist die Geschwindigkeit sehr starken, örtlichen Ände rungen unterworfen, während im Kern der Strömung nahezu Konstanz der Geschwindig keit herrscht. Auf dieser ungleichmässigen Verteilung der Geschwindigkeit beruht nun die Entstehung ,der Sekundärwirbel.
Bei 'der Durcliströmung des gekrünnnten Fanals drän gen die in der Mitte des Kanals sehne11er strömenden Teile unter dem Einfluss der Fliehkraft. nach aussen und bewirken damit, dass umgekehrt die innerhalb der Grenz schicht, folglich also langsamer, strömenden Teile nach der konvexen Seite des Kanals ab getrieben werden. Derart überlagert sich dem Hauptstrom eine drehende Sekundärströ mung, dargestellt durch die Pfeile 4 und 5.
Die kinetische Energie dieser Drehbewegung kann im allgemeinen nicht- mehr ausgenützt werden, sie ist also ein reiner Verlust.
Obwohl die Existenz dieser Sekundärbe wegung schon lange bekannt ist, hat man ihrer Beeinflussung, z. B. durch entspre- ehende Ausbildung der Schaufelung, bis heute nur wenig Beachtung ,geschenkt, und zwar namentlich deshalb, weil der Vorgang bis vor kurzem als theoretisch kaum erfassbar galt. Man beschränkte sieh vielmehr darauf, die Schaufelprofile so zu gestalten, dass der Druckverlauf und damit die Reibungsverhält nisse an ihrer Oberfläche möglichst günstig sein sollten.
Neuerdings hat man aber er kannt, :dass gerade in den Sekundärwirbeln ein überraschend grosser Anteil des Gesamt verlustes der Strömungsenergie in einer Schaufelung steckt. Die Erfindung stellt sieh die Aufgabe, diese Verluste zu vermindern, ohne dabei die Vorteile einer günstigen Ge staltung des Profils selbst preiszugeben. Hier bei ist -von folgenden Erkenntnissen ausge gangen worden: 1. Die im Sekundärwirbel steckende Ener gie ist um so grösser, je. ungleichmässiger das Geschwindigkeitsprofil, das heisst also je grösser die Grenzschichtdicke 8 ist.
2. Wird eine Strömung beschleunigt, so wird dadurch ihr Geschwindigkeitsprofil völ liger , die Grenzsehichtdickealso kleiner, wie dies Fig. 2 veranschaulicht. Der hier im Schnitt gezeigte Kanal müsste sich in Rich tung senkrecht zur Bildebene verengen, der art, dass die Geschwindigkeit grösser wird. Dann hat beispielsweise die Grenzschichtdicke vor der Verengung den Wert ö1 und nach derselben den Wert 8..
3. Die Intensität des Sekundärwirbels ist. proportional dem Ablenkungswinkel.
4. Ist über dem senkrecht zur Strömungs richtung gemessenen Durchflussquerschnitt F einer Strömung ein Wirbel stetig verteilt (so wie dies beim Sekundärwirbel tatsächlich der Fall ist) und ändert sieh dieser Querschnitt längs der Strömung, so ändert sieh die Wir belstärke umgekehrt proportional dem Quer schnitt F. Diese Feststellung ist nichts anderes als eine Ausdrucksform für den sogenannten 3. Helmholtzschen Wirbelsatz .
Bisher gestaltete man Schaufelungen, die zur gleichzeitigen Ablenkung und Beschleuni gung der Strömung bestimmt waren, derart, dass die Ablenkung längs der Erstreckung des Schaufelprofils möglichst sanft und gleich mässig vorgenommen wurde. Dabei hat man im allgemeinen sogar einen grösseren Teil der Ablenkung in die Eintrittspartie verlegt, weil angenommen wurde, dass mit der Ablenkung notwendigerweise Verluste verbunden seien, die geringer gehalten werden können, wenn die Ablenkung dort vorgenommen wird, wo die Geschwindigkeit noch verhältnismässig klein ist.
Lenkt man aber unmittelbar nach Eintritt des Strömungsmittels in die Sehaufe- lung dieses kräftig ab, und zwar noch bevor eine starke Beschleunigung der Strömung stattgefunden hat, so ist einerseits die für die Sekundär-virbel massgebende Grenzschicht- dicke dort noch verhältnismässig gross, ander seits sorgt die starke Ablenkung dafür, dass sofort eine intensive Sekundärströmung ent steht.
Wird nun diese schon mit. SekundArwir- beln durchsetzte Strömung nachträg@lieh noch beschleunigt, so heisst dies nichts anderes, als dass der \Strömungsquerschnitt herabgesetzt und damit nach Ziffer 4 der vorstehenden Erkenntnisse die Intensität der Sekundärwir bel zusätzlich erhöht wird.
Das Verfahren nach der Erfindung weist nun einen Weg, um diese geschilderten Nach teile zu vermeiden. Dies wird dadurch er reicht, dass das zwischen den Tra.gflügelprofil- sehaufeln eines Gitters, wie es z. B. im Schau felkranz von Turbinen vorhanden ist, hin durchströmende Mittel zuerst beschleunigt und dann, zweel@mässig- ohne wesentliche wei tere Beschleunigung, umgelenkt wird.
Bei der ablenkungsfreien Beschleunigung wird näm lich die Grenzsehieht dünner, wodurch in der nachfolgenden Ablenkung die Sekundä.rwir- belbildung von. vornherein wesentlich herabge setzt ist. Bei der nachfolgenden Ablenkung, die ohne weitere oder wesentliche Beschleuni- ;ung vor sieh geht, also auch ohne bzw. un- wesentlicher Verminderung des StrÖmungs- querschnittes, wird zudem eine Verstärkung der entstehenden Sekundärwirbel vermieden.
Insgesamt wird also die in den Sekundärwir beln enthaltene kinetische Energie bei einer Schaufelung, in welcher zuerst nur beschleu nigt und dann nur abgelenkt wird, ungleich kleiner sein als in einer .Schaufelung der her kömmlichen Bauart.
Bei der Schaufelkon struktion können nun unter Umständen Pro file entstehen, die in bezug auf die reinen Profilverluste ungünstig sind. Infolgedessen kann es zweckmässig sein, einen ganz gering fügigen Teil der gesamten Beschleunigung noch in die gekrümmte Partie des Kanals zu verlegen.
Fig. 3 zeigt eine Sehaufelung, die gemäss diesen Erkenntnissen ausgebildet ist. Zwi schen den Schaufeln, die ein Tragflügelprofil besitzen, strömt das Medium in Pfeilrichtung hindurch und wird dabei in einer ersten Zone des von den Schaufeln begrenzten Kanals bei gerader, in Richtung der Anströmung des Gitters erfolgender Strömung beschleunigt und darauf in der anschliessenden Zone des Kanals von dieser geraden Richtung umge lenkt. :
In die eine Schaufel ist eine als Skelett linie bezeichnete -Ivlittellinie 6 eingezeichnet, die vom Krümmungsmittelpunkt der Profil nase bis zur Austrittskante durchläuft. Wie aus der Figur ersichtlich ist, verläuft sie zu nächst vom Krümmungsmittelpunkt A der Profilnase aus mindestens annähernd gerade bis zu einem Punkt B. Dann biegt sie ab, um schliesslich an der Austrittskante C zu enden. itber diese Skelettlinie wird nun die Profil dicke derart überlagert, dass die Profildicke längs der Strecke AB stetig zunimmt.
Es ent steht dann zwischen den Profilen ein im wesentlichen gerader, aber sich stark veren gender und in Richtung der Anströmung des Gitters gelegener Kanal, innerhalb dessen fast die ganze Beschleunigung vorgenommen wird. Während des nunmehr folgenden gebogenen Teils BC der Skelettlinie nimmt die Profil- dicke wieder allmählich ab, derart, dass der zwischen den Profilen freibleibende gekrümmte Kanal einen fast unveränderlichen Quer schnitt erhält. Die gestrichelte Linie 7 in Fig. 3 zeigt, wie die Kanalkontur aussehen müsste, wenn der Querschnitt exakt konstant bliebe.
Man erkennt also, dass eine ganz ge ringfügige Verminderung des Kanalquer schnittes noch vorhanden ist. Gerade dadurch, dass die Skelettlinie am Eintritt ein verhält nismässig langes gerades Stück AB .aufweist, entsteht eine Profilgestalt, die trotz der unge wöhnlichen Verhältnisse (zuerst nur Be schleunigung, dann fast nur Ablenkung) auch in bezug auf die reinen Profileigen- .gehalten durchaus günstig ist und weitgehend zur Verringerung des Energieverlustes der Strömung beiträgt.